Внеочередное исполнение

25.01.2022

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:

  • считывание инструкции;
  • остановка процессора в ожидании для загрузки операндов инструкции;
  • передача инструкции на выполнение соответствующему исполнительному модулю;
  • выполнение инструкции соответствующим модулем;
  • запись результата выполнения инструкции модулем в регистровую ячейку.
  • Внеочередное выполнение

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

  • считывание инструкции;
  • помещение инструкции в очередь I (называемую англ. instruction queue, instruction buffer или reservation stations);
  • ожидание, пока операнды любой инструкции, находящейся в очереди I, станут доступны;
  • передача инструкции, операнды которой доступны, на выполнение соответствующему исполнительному модулю;
  • выполнение инструкции соответствующим модулем;
  • запись результата выполнения инструкции модулем в очередь II;
  • 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.