Σωλήνωση (υπολογιστές)

Πλεονεκτήματα του Pipelining:

1. Ο χρόνος κύκλου του επεξεργαστή μειώνεται, αυξάνοντας την απόδοση των εντολών. Η διοχέτευση δεν μειώνει τον χρόνο που απαιτείται για την ολοκλήρωση μιας εντολής- αντίθετα, αυξάνει τον αριθμό των εντολών που μπορούν να επεξεργαστούν ταυτόχρονα ("ταυτόχρονα") και μειώνει την καθυστέρηση μεταξύ των ολοκληρωμένων εντολών (που ονομάζεται "απόδοση").
   Όσο περισσότερα στάδια αγωγών διαθέτει ένας επεξεργαστής, τόσο περισσότερες εντολές μπορεί να επεξεργαστεί "ταυτόχρονα" και τόσο μικρότερη καθυστέρηση υπάρχει μεταξύ των ολοκληρωμένων εντολών. Κάθε επικρατέστερος μικροεπεξεργαστής
    γενικής χρήσης που κατασκευάζεται σήμερα χρησιμοποιεί τουλάχιστον 2 στάδια αγωγού έως και 30 ή 40 στάδια.
2. Αν χρησιμοποιηθεί η διοχέτευση, η αριθμητική λογική μονάδα της ΚΜΕ μπορεί να σχεδιαστεί ταχύτερα, αλλά θα είναι πιο πολύπλοκη.
3. Η διοχέτευση με αγωγούς αυξάνει θεωρητικά την απόδοση σε σχέση με έναν πυρήνα χωρίς αγωγούς κατά έναν παράγοντα του αριθμού των σταδίων (υποθέτοντας ότι η συχνότητα ρολογιού αυξάνεται επίσης κατά τον ίδιο παράγοντα) και ο κώδικας είναι ιδανικός για εκτέλεση με αγωγούς.
4. Οι CPU με σωληνώσεις λειτουργούν γενικά σε υψηλότερη συχνότητα ρολογιού από τη συχνότητα ρολογιού της RAM (από τις τεχνολογίες του 2008, οι RAM λειτουργούν σε χαμηλές συχνότητες σε σύγκριση με τις συχνότητες των CPU), αυξάνοντας τη συνολική απόδοση των υπολογιστών.

Μειονεκτήματα του Pipelining:

Η αγωγιμοποίηση έχει πολλά μειονεκτήματα, αν και υπάρχουν πολλές τεχνικές που χρησιμοποιούνται από τους σχεδιαστές επεξεργαστών και μεταγλωττιστών για να ξεπεραστούν τα περισσότερα από αυτά.Ακολουθεί ένας κατάλογος των κοινών μειονεκτημάτων:

1. Ο σχεδιασμός ενός μη-pipelined επεξεργαστή είναι απλούστερος και φθηνότερος στην κατασκευή, ο μη-pipelined επεξεργαστής εκτελεί μόνο μία εντολή κάθε φορά. Με τον τρόπο αυτό αποφεύγονται οι καθυστερήσεις διακλαδώσεων (στην αγωγιμοποίηση, κάθε διακλάδωση καθυστερεί) καθώς και τα προβλήματα κατά την ταυτόχρονη εκτέλεση σειριακών εντολών.
2. Στον επεξεργαστή με σωληνογραμμή, η εισαγωγή flip flops μεταξύ των μονάδων αυξάνει την καθυστέρηση εντολών σε σύγκριση με έναν επεξεργαστή χωρίς σωληνογραμμή.
3. Ένας μη-pipelined επεξεργαστής θα έχει καθορισμένη απόδοση εντολών. Η απόδοση ενός επεξεργαστή με αγωγιμοποίηση είναι πολύ πιο δύσκολο να προβλεφθεί και μπορεί να διαφέρει σημαντικά για διαφορετικά προγράμματα.
4. Πολλά σχέδια περιλαμβάνουν αγωγούς μήκους 7, 10, 20, 31 και ακόμη περισσότερων σταδίων- ένα μειονέκτημα ενός μεγάλου αγωγού είναι ότι όταν ένα πρόγραμμα διακλαδίζεται, ολόκληρος ο αγωγός πρέπει να ξεπλυθεί (να καθαριστεί). Η υψηλότερη απόδοση των αγωγών δεν επαρκεί όταν ο εκτελούμενος κώδικας περιέχει πολλές διακλαδώσεις: ο επεξεργαστής δεν μπορεί να γνωρίζει εκ των προτέρων πού θα διαβάσει την επόμενη εντολή και πρέπει να περιμένει να τελειώσει η εντολή διακλάδωσης, αφήνοντας τον αγωγό πίσω της άδειο. Αυτό το μειονέκτημα μπορεί να μειωθεί με την πρόβλεψη του κατά πόσον η εντολή διακλάδωσης υπό συνθήκη θα διακλαδωθεί με βάση την προηγούμενη δραστηριότητα. Αφού επιλυθεί η διακλάδωση, η επόμενη εντολή πρέπει να διανύσει όλη τη διαδρομή μέσω του αγωγού πριν το αποτέλεσμά της γίνει διαθέσιμο και ο επεξεργαστής συνεχίσει να "εργάζεται" και πάλι. Σε τέτοιες ακραίες περιπτώσεις, η απόδοση ενός επεξεργαστή με αγωγό μπορεί να είναι χειρότερη από έναν επεξεργαστή χωρίς αγωγό.
5. Δυστυχώς, δεν είναι όλες οι οδηγίες ανεξάρτητες. Σε έναν απλό αγωγό, η ολοκλήρωση μιας εντολής μπορεί να απαιτεί 5 στάδια. Για να λειτουργήσει με πλήρη απόδοση, αυτός ο αγωγός θα πρέπει να εκτελέσει 4 επόμενες ανεξάρτητες εντολές ενώ η πρώτη ολοκληρώνεται. Οποιαδήποτε από αυτές τις 4 εντολές μπορεί να εξαρτάται από την έξοδο της πρώτης εντολής, προκαλώντας τη λογική ελέγχου του αγωγού να περιμένει και να εισάγει μια καθυστέρηση ή έναν χαμένο κύκλο ρολογιού στον αγωγό μέχρι να επιλυθεί η εξάρτηση. Ευτυχώς, τεχνικές όπως η προώθηση μπορούν να μειώσουν σημαντικά τις περιπτώσεις όπου απαιτείται καθυστέρηση.
6. Τα αυτοτροποποιούμενα προγράμματα ενδέχεται να μην εκτελούνται σωστά σε μια αρχιτεκτονική pipelined όταν οι εντολές που τροποποιούνται βρίσκονται κοντά στις εντολές που εκτελούνται. Αυτό μπορεί να οφείλεται στο γεγονός ότι οι εντολές μπορεί να βρίσκονται ήδη στην ουρά εισόδου Prefetch, οπότε η τροποποίηση μπορεί να μην ισχύσει για την επερχόμενη εκτέλεση των εντολών. Οι κρυφές μνήμες εντολών κάνουν το πρόβλημα ακόμη χειρότερο.
7. Κίνδυνοι: Όταν ένας προγραμματιστής (ή ένας μεταγλωττιστής) γράφει κώδικα assembly, γενικά υποθέτει ότι κάθε εντολή εκτελείται πριν από την εκτέλεση της επόμενης εντολής. Όταν αυτή η υπόθεση δεν επικυρώνεται με την αγωγιμοποίηση προκαλεί λανθασμένη συμπεριφορά του προγράμματος, η κατάσταση είναι γνωστή ως κίνδυνος. Υπάρχουν
   διάφορες τεχνικές για την επίλυση των κινδύνων ή την αντιμετώπιση τους, όπως η προώθηση και η καθυστέρηση (με την εισαγωγή μιας καθυστέρησης ή ενός χαμένου κύκλου ρολογιού).

Γενικός αγωγός

Στα δεξιά είναι ένας γενικός αγωγός με τέσσερα στάδια:

1. Φέρτε
2. Αποκωδικοποίηση
3. Εκτέλεση
4. Επιστροφή εγγραφής

Το επάνω γκρι πλαίσιο είναι ο κατάλογος των εντολών που περιμένουν να εκτελεστούν- το κάτω γκρι πλαίσιο είναι ο κατάλογος των εντολών που έχουν ολοκληρωθεί- και το μεσαίο λευκό πλαίσιο είναι ο αγωγός.

Η εκτέλεση έχει ως εξής:

Φούσκα

Όταν συμβαίνει μια "λόξυγγα" (διακοπή) στην εκτέλεση, δημιουργείται μια "φούσκα" στον αγωγό, στην οποία δεν συμβαίνει τίποτα χρήσιμο. Στον κύκλο 2, η λήψη της μοβ εντολής καθυστερεί και το στάδιο αποκωδικοποίησης στον κύκλο 3 περιέχει τώρα μια φούσκα. Όλα όσα βρίσκονται πίσω από τη μοβ εντολή καθυστερούν επίσης, αλλά όλα όσα βρίσκονται μπροστά από τη μοβ εντολή συνεχίζουν την εκτέλεση.

Σαφώς, σε σύγκριση με την παραπάνω εκτέλεση, η φούσκα αποδίδει συνολικό χρόνο εκτέλεσης 8 χρονικών στιγμών αντί για 7.

Οι φυσαλίδες είναι σαν καθυστερήσεις, στις οποίες δεν θα συμβεί τίποτα χρήσιμο για τη λήψη, αποκωδικοποίηση, εκτέλεση και εγγραφή. Είναι σαν ένας κώδικας NOP (συντομογραφία για No OPeration).

Παράδειγμα 1

Μια τυπική εντολή για την πρόσθεση δύο αριθμών θα μπορούσε να είναι η ADD A, B, C, η οποία προσθέτει τις τιμές που βρίσκονται στις θέσεις μνήμης A και B και στη συνέχεια τοποθετεί το αποτέλεσμα στη θέση μνήμης C. Σε έναν επεξεργαστή με αγωγούς ο ελεγκτής αγωγών θα μπορούσε να το διαχωρίσει αυτό σε μια σειρά από εργασίες παρόμοιες με:

Οι θέσεις 'R1' και 'R2' είναι καταχωρητές στη CPU. Οι τιμές που είναι αποθηκευμένες στις θέσεις μνήμης με τις ενδείξεις 'A' και 'B' φορτώνονται (αντιγράφονται) σε αυτούς τους καταχωρητές, στη συνέχεια προστίθενται και το αποτέλεσμα αποθηκεύεται σε μια θέση μνήμης με την ένδειξη 'C'.

Σε αυτό το παράδειγμα, ο αγωγός αποτελείται από τρία στάδια - φόρτωση, εκτέλεση και αποθήκευση. Κάθε ένα από τα στάδια ονομάζεται στάδια του αγωγού.

Σε έναν επεξεργαστή που δεν διαθέτει αγωγούς με διαδοχικά κυκλώματα, μόνο ένα στάδιο μπορεί να εργάζεται κάθε φορά, οπότε ολόκληρη η εντολή πρέπει να ολοκληρωθεί πριν αρχίσει η επόμενη εντολή. Σε έναν επεξεργαστή με σωλήνωση, όλα τα στάδια μπορούν να εργάζονται ταυτόχρονα σε διαφορετικές εντολές. Έτσι, όταν αυτή η εντολή βρίσκεται στο στάδιο εκτέλεσης, μια δεύτερη εντολή θα βρίσκεται στο στάδιο αποκωδικοποίησης και μια 3η εντολή θα βρίσκεται στο στάδιο ανάκτησης.

Παράδειγμα 2

Για την καλύτερη κατανόηση της έννοιας, μπορούμε να εξετάσουμε έναν θεωρητικό αγωγό 3 σταδίων:

και μια λίστα ψευδοκώδικα συναρμολόγησης προς εκτέλεση:

Αυτό είναι το πώς θα εκτελεστεί:

Η εντολή LOAD λαμβάνεται από τη μνήμη.

Η εντολή LOAD εκτελείται, ενώ η εντολή MOVE ανακτάται από τη μνήμη.

Η εντολή LOAD βρίσκεται στο στάδιο Store, όπου το αποτέλεσμά της (ο αριθμός 40) θα αποθηκευτεί στον καταχωρητή Α. Εν τω μεταξύ, εκτελείται η εντολή MOVE. Δεδομένου ότι πρέπει να μετακινήσει τα περιεχόμενα του A στον B, πρέπει να περιμένει το τέλος της εντολής LOAD.

Η εντολή STORE φορτώνεται, ενώ η εντολή MOVE ολοκληρώνεται και η ADD υπολογίζεται.

Και ούτω καθεξής. Σημειώστε ότι, μερικές φορές, μια εντολή εξαρτάται από το αποτέλεσμα μιας άλλης (όπως το παράδειγμα MOVE). Όταν περισσότερες από μία εντολές αναφέρονται σε μια συγκεκριμένη θέση για έναν τελεστή, είτε διαβάζοντάς τον (ως είσοδο) είτε γράφοντάς τον (ως έξοδο), η εκτέλεση αυτών των εντολών με σειρά διαφορετική από την αρχική σειρά του προγράμματος μπορεί να οδηγήσει στην κατάσταση κινδύνου (που αναφέρθηκε παραπάνω).

• Αγωγός (πληροφορική)
• Παράλληλοι υπολογισμοί
• Παραλληλισμός σε επίπεδο εντολών