Внеочередное исполнение

Внеочередное исполнение (англ. out-of-order execution) машинных инструкций — исполнение машинных инструкций не в порядке следования в машинном коде (как было при выполнении инструкций по порядку (англ. in-order execution)), а в порядке готовности к выполнению. Реализуется с целью повышения производительности вычислительных устройств.

Среди широко известных машин впервые в существенной мере реализована в машинах CDC 6600 компании Control Data и IBM System/360 Model 91 компании IBM.

Описание и сравнение

Классическое поочерёдное выполнение

При выполнении инструкций по порядку (англ. in-order) осуществляются следующие действия:

1. считывание инструкции;
2. остановка процессора в ожидании для загрузки операндов инструкции;
3. передача инструкции на выполнение соответствующему исполнительному модулю;
4. выполнение инструкции соответствующим модулем;
5. запись результата выполнения инструкции модулем в регистровую ячейку.

Внеочередное выполнение

При выполнении инструкций не по порядку (англ. out-of-order) осуществляются следующие действия:

1. считывание инструкции;
2. помещение инструкции в очередь I (называемую англ. instruction queue, instruction buffer или reservation stations);
3. ожидание, пока операнды любой инструкции, находящейся в очереди I, станут доступны;
4. передача инструкции, операнды которой доступны, на выполнение соответствующему исполнительному модулю;
5. выполнение инструкции соответствующим модулем;
6. запись результата выполнения инструкции модулем в очередь II;
7. извлечение из очереди II результатов выполнения тех инструкций, перед которыми в очереди I не осталось невыполненных инструкций, и запись результатов в регистровый файл; удаление таких инструкций из очереди I.

Особенности и внутренняя работа

Особенности внеочередного исполнения:

• раньше других может быть выполнена инструкция, операнды которой будут готовы раньше операндов других инструкций;
• инструкция, поставленная в очередь I позже, может быть выполнена раньше;
• время простоя, вызванное ожиданием готовности операндов инструкций, уменьшается (по сравнению с процессором, выполняющим инструкции по порядку) за счёт ожидания готовности операндов нескольких инструкций;
• за счёт использования очереди II запись результатов в регистровый файл осуществляется в порядке следования инструкций в машинном коде (создаётся видимость выполнения инструкций по порядку).

Основная идея внеочередного выполнения заключается в возможности избежать простоя процессора в тех случаях, когда данные, необходимые для выполнения очередной инструкции, недоступны. Как можно видеть выше, процессор избегает простоев, которые возникают в пункте 2 для очередного выполнения инструкций в случае, когда инструкция не может быть выполнена из-за недоступности её операндов.

Процессор с внеочередным выполнением кода выполняет те инструкции, операнды которых готовы, вне зависимости от порядка следования инструкций в коде программы. Инструкции выполняются не в порядке их следования в коде программы, а в порядке доступности данных в регистрах процессора. С помощью очереди II процессор записывает результаты выполнения инструкций так, чтобы создавалась видимость нормального, очередного выполнения.

Оценка эффективности

Внеочередное выполнение тем эффективнее, чем длиннее конвейер процессора, и чем больше разница между скоростью работы памяти (оперативной или кэшем) и скоростью работы процессора. В современных^{[когда?]} компьютерах процессоры работают намного быстрее памяти, поэтому во время ожидания поступления данных процессор может выполнить множество инструкций, операнды которых доступны.

См. также

• Алгоритм Томасуло
• Параллельные вычисления
• Вычислительный конвейер

Литература

• David A. Patterson, John L. Hennessy. Computer Architecture: A Quantitative Approach, 5th Edition. — Morgan Kaufmann, 2011. — 856 p. — ISBN 012383872X. (англ.)

Ссылки

• Олег Бессонов, Обзор микроархитектур современных десктопных процессоров. Часть 2: внеочередное исполнение операций / Ixbt, 6 июля 2006