Үзәк эшкәрткеч җайланма

Үзәк эшкәрткеч җайланма (процессор) — санак системасының санак (компьютер) программасының системаның төп арифметик, мантыйк һәм керү/чыгу гамәлләрен башкару өчен күрсәтмәләрен үтәүче өлеше. Санакта (компьютерда) үзәк эшкәрткеч җайланма мигә аналогик роль уйный. Төшенчә санак (компьютер) сәнәгатендә кимендә 1960-ынчы еллардан бирле кулланылышта йөри. Үзәк эшкәрткеч җайланмаларның формасы, дизайны һәм коралланышы иң элек мисалларга караганда шактый үзгәргән, әмма фундаменталь эшләве күбесенчә шул ук булып кала.

Зур машиналарда, үзәк эшкәрткеч җайланма өчен бер яки күбрәк басма платасы кирәк. Шәхси санакларда һәм кечкенә эш станцияләрендә үзәк эшкәрткеч җайланма микропроцессор (микроэшкәрткеч) дип аталган бер кремний чипта урнаша. 1970-енче еллардан башлап үзәк эшкәрткеч җайланмаларның микропроцессор төркеме бөтенләй диярлек башка үзәк эшкәрткеч җайланмалар кулланылышларын узып китә. Хәзерге заман үзәк эшкәрткеч җайланмалар – йөзләрчә тоташтыру энәләре булган, зурлыгы дүрт квадрат сантиметрдан азрак булган корпуста зур масштаблы микросхемалар.

Үзәк эшкәрткеч җайланманың ике типик өлеше булып арифметик һәм мантыйк гамәлләрен башкаручы арифметик мантыйк җайланмасы (АМҖ) (ALU) һәм хәтердән күрсәтмәләрне (инструкцияләрне) чыгара торган, аларны декодирлый һәм башкара торган, кирәк вакытта арифметик мантыйк җайланмасына мөрәҗәгать итә торган идарә җайланмасы (ИҖ) (CU) тора.

Бөтен исәпләү системалары да үзәк эшкәрткеч җайланмага нигезләнмәгән. Массив эшкәрткече яки вектор эшкәрткеченең күп параллель исәпләү элементы бар, ул җайланмаларның берсе дә “үзәк” түгел. Таралышлы исәпләү моделендә мәсьәләләр үзара бәйләнгән таралган эшкәрткечләр җыелмасы ярдәмендә чишелә.

Тарих

беренче сакланган программалы санакларның берсе, EDVAC

ENIAC кебек санаклар төрле биремнәрне үтәү өчен яңадан физик монтажлауны таләп иткәннәр, бу сәбәпле бу машиналарны “беркетелгән программалы санаклар” дип атаганнар. "Үзәк эшкәрткеч җайланмасы" төшенчәсе гадәттә программа тәэминаты (санак программасы) башкару өчен җайланма итеп билгеләнгәнгә күрә, иң элеккеге дөрес рәвештә үзәк эшкәрткеч җайланмасы дип аталучы җиһазлар сакланган программалы санаклар барлыкка килү белән кертелгән.

Сакланучы программалы санакның фикере Дж. Преспер Эккерт һәм Джон Вильям Мочлиның ENIAC конструкциясендә булган инде, әмма ул башта соңрак тәмамланыр өчен калдырылган булган. 1945-нче елның 30 июненда ENIAC эшләнгәнче, математик Джон фон Нейман EDVAC турында игъланның беренче караламасы дип аталган кәгазне бастырган. Ул 1949-нчы елның августында тәмамланырга тиеш булган сакланган программалы санакның схемасы булган. EDVAC билгеле сан төрле тип күрсәтмәләр (яки гамәлләр) башкару өчен конструкцияләнгән булган. Бу күрсәтмәләр берләштерелеп EDVAC башкарыр өчен файдалы программалар хасил иткән. EDVAC өчен язылган программалар санакның физик үткәргечләре белән билгеләнмәве, ә югары тизлек санак хәтерендә сакланулары мөһим үзенчәлек булып тора. Бу ENIAC ка караганда отышлырак булган, соңгысында санакны яңа бирем эшләтер өчен шактый вакыт һәм көч таләп иткән. Фон Нейман конструкциясендә исә, EDVAC башкарырга тиеш программа яки программа тәэминаты фәкать хәтернең эчтәлеген үзгәртеп үзгәртелә алган.

Иң элек чыккан үзәк эшкәрткеч җайланмаларның проектлары заказ буенча эшләнгән, ул үзәк эшкәрткеч җайланмалар зуррак, кайвакыт шул типтан бердәнбер санакның өлешләре булып торган. Шулай да, бу үзәк эшкәрткеч җайланмаларны махсус кулланылыш өчен конструкцияләү ысулы күп максатлар өчен ясалган массакүләм җитештерелгән эшкәрткечләр үсешенә юлны биргән. Бу стандартизация дискрет tranzistorлар нигезендәге Зур электрон исәпләү машинасылар һәм минисанаклар чорында башланган һәм микросхемалар (eng. integrated circuit, IC) популярлашу белән тизләнеш алган. Микросхемалар катлаулылана бара торган үзәк эшкәрткеч җайланмаларны нанометрлар чамасы тайпылышлар белән конструкцияләргә һәм җитештерергә мөмкинчелек биргән. Үзәк эшкәрткеч җайланмаларның миниатюризациясе һәм стандартизациясе санлы җайланмаларның хәзерге тормышта куллануны чикләнгән санауга багышланган машиналардан шактый ерак өлкәләрдә дә мөмкин иткән. Хәзерге заман микроэшкәрткечләре автомобилләрдән башлап кесә телефонынарына һәм балалар уенчыкларына кадәр бар.

EDVACны конструкцияләгәнлектән фон Нейман ешрак сакланучы программалы санак конструкциясе белән бәйләнештә искә алынса, аңа кадәр башкалар, мәсәлән, Конрад Цусе охшаш фикерләрне тәкъдим иткәннәр һәм ашырганнар. EDVACка кадәр тәмамланган Harvard Mark Iнең шулай аталган Һарвард архитектурасында шулай ук сакланучы программа конструкциясе кулланылган, монда электрон хәтер түгел, ә перфокарталар кулланылган. Фон Нейман архитектурасы белән Һарвард архитектурасы арасында төп аерма ул соңгысында саклау һәм үзәк эшкәрткеч җайланманың күрсәтмәләрен һәм керү бирелгән мәгълүматларын эшкәртүнең аерылган булуы, ә беренчесендә икесе өчен дә шул ук хәтер урыны кулланыла. Хәзерге үзәк эшкәрткеч җайланмаларның күбесе башлыча фон Нейман конструкциясендә, әмма Һарвард архитектурасы элементлары да гадәттә очрый.

Релелар һәм вакуум көпшәләр (термионик лампалар) ялгагыч элементлар буларак киң кулланылган; файдалы санак меңнәрчә яки ун меңнәрчә ялгагыч элементлар таләп итә. Системаның гомуми тизлеге ялгагычларның тизлегенә бәйле. EDVAC кебек көпшә санакларда эш бозылулар арасында сигез сәгать узуга тенденция булган, шул ук вакытта Harvard Mark I кебек (әкренрәк, ләкин элегрәк чыккан) реле санакларында эш бозылулар бик сирәк булган. Соңыннан, вакуум көпшәләргә нигезендә төзелгән үзәк эшкәрткеч җайланмалар доминант булганнар, чөнки тәкъдим ителгән әһәмияткә алырлык тизлек отышлыклары ышанычлылык проблемаларыннан хәерлерәк булган. Бу элеккеге синхрон үзәк эшкәрткеч җайланмаларның күбесе хәзерге микроэлектрон җайланмаларга караганда түбән такт ешлыгы булган (такт ешлыгы турында бәхәсне түбәнрәк карагыз). Ул вакытта 100 Герцтан алып 4 МГц ка кадәр такт сигнал ешлыклары бик гадәти булган, алар кулланылган ялгагыч җайланмаларның тизлеге белән чикләнгән булган.

Идарә җайланмасы

Үзәк эшкәрткеч җайланманың идарә җайланмасында сакланучы программа күрсәтмәләрен үтәү өчен бөтен санак системасы белән идарә итү өчен схемалар бар. Идарә җайланмасы программа күрсәтмәләрен башкармый, ә системаның башка өлешләре белән шуны эшләр өчен идарә итә. Идарә җайланмасы арифметик-мантыйк җайланмасы белән дә, хәтер белән дә аралашырга тиеш.

Дискрет транзисторлар һәм микросхемалар нигезендә үзәк эшкәрткеч җайланмалары

Үзәк эшкәрткеч җайланмасы, үзәк хәтере, һәм DEC PDP-8/I ның тышкы шина интерфейсы. Урта масштаблы микросхемалардан эшләнгән

Үзәк эшкәрткеч җайланмаларның катлаулыгы төрле технологияләр кечкенәрәк һәм ышанычлырак электрон җайланмалар куллана башлау белән үскән. Шундый беренче камилләшү транзистор барлыкка килү белән килгән. Транзисторлар нигезендә үзәк эшкәрткеч җайланмалар 1950-нче һәм 1960-ынчы еллар дәвамында вакуум көпшә ләр һәм электрик релелар кебек артык зур, ышанычлыгы зур булмаган һәм сынучан элементлар нигезендә төзелергә тиеш булмаган. Бу камилләшү белән бер яки берничә (ялгыз) дискрет элементлы басылган плата нигезендә катлаулырак һәм ышанычлырак үзәк эшкәрткеч җайланмалары төзелгән.

Бу чор дәвамында, күп транзисторларны компакт урында җитештерү ысулы популярлык казанган. Микросхема (eng. integrated circuit, (IC)) күп сандагы транзисторларга бер ярымүткәргеч нигезендәге микросхема, яки “чип” өстендә эшләнеп чыгарылырга мөмкинчелек биргән. Башта NOR gate (Пирсон угы капкасы) кебек бик гади махсус булмаган санлы схемалар микросхемаларга миниатюрлаштырылган. Бу “төзелеш шакмаклары” – микросхемаларга нигезләнгән үзәк эшкәрткеч җайланмалар “кечкенә масштаблы интетграцияле” җайланмалар "small-scale integration" (SSI) дип атала. Apollo guidance computerда кулланылган кебек кечкенә масштаблы интеграцияле җайланмалар гадәттә аз санлы транзисторлар тәшкил иткән. Кечкенә масштаблы интеграцияле микросхемалардан бөтен үзәк эшкәрткеч җайланмасы төзү меңнәрчә ялгыз чиплар таләп иткән, әмма һаман элегрәк чыккан транзистор конструкцияләренә караганда әзрәк буш урын һәм егәрлек таләп иткән. Микроэлектрон технология алга китү белән микросхемаларда артучы санда транзисторлар урнаштырылган, шулай итеп, тәмамланган үзәк эшкәрткеч җайланма өчен кирәк булган ялгыз микросхемалар санын киметкән. Уртача һәм зур интеграцияле микросхемалар (eng. (medium- and large-scale integration) ICs) транзисторлар санын йөзләргә һәм аннан соң меңнәргә җиткергән.

1964 елда IBM ширкәте System/360 санак архитектурасын тәкъдим иткән, ул санаклар сериясендә кулланылган, алар бер үк программаны төрле тизлек һәм җитештерүчәнлек белән башкара алган. Бу күпчелек электрон санаклар, хәтта бер үк җитештерүче эшләп чыгарган да бер-берсе белән ярашучанлыклы булмаган вакытта әһәмиятле булган. Бу камилләштерүне куллану өчен IBM санагы микропрограмма (еш кына “микрокод” дип аталучы) концепциясен кулланган, бу концепция хәзерге заман үзәк эшкәрткеч җайланмаларында киң кулланыла. System/360 архитектурасы шундый популяр булган ки, хәтта ул электрон хисаплау машиналары базарында төп урын алып торган һәм һаман дәвам иткән хәзерге санакларда, мәсәлән IBM zSeriesта мирас калдырган. Шул ук 1964 елда, Санлы Җиһазлар Корпорациясе (eng. Digital Equipment Corporation (DEC)) фәнни һәм тикшерү базарлары өчен булган башка йогынтысы зур булган санакны, PDP-8не тәкъдим итә. Соңрак DEC бик популяр булган PDP-11 сызыгын тәкъдим иткән, ул башта кечкенә масштаблы интеграцияле микросхемалар (SSI Ics) белән төзелгән булган, әмма соңыннан, бу гамәлгә кергәч, зур интеграцияле микросхемалар белән җиһазландырылган булган. Элегрәк чыккан уртача һәм зур интеграцияле микросхемаларга (eng. SSI and MSI ICs) караганда, PDP-11нең зур интеграцияле микросхемалы җиһазлануында дүрт кенә зур интеграцияле микросхемалы (LSI) үзәк эшкәрткеч җайланмасы булган.

Транзисторларга нигезләнгән санакларның элегрәк чыккан санакларга караганда берничә билгеле отышлы ягы булган. Арткан ышанычлыктан һәм түбәнрәк егәрлек сарыф итүгә өстәп, транзисторлар үзәк эшкәрткеч җайланмаларга көпшәләр һәм релеларга караганда ялгау тизлекләре күбрәк булганлыктан күпкә зуррак тизлекләрдә эшне тәкъдим иткән. Ялгагыч элементларның (ул вакытта алар бөтенесе диярлек транзисторлар булган) арткан ышанычлыгына һәм шактый үскән тизлегенә рәхмәтле, үзәк эшкәрткеч җайланмаларның такт ешлыклары бу дәвердә уннарча мегагерцларга җитә. Моңа өстәп, дискрет транзисторлар һәм микросхемаларга нигезләнгән үзәк эшкәрткеч җайланмалар киң кулланганда, SIMD (Single Instruction Multiple Data) бер күрсәтмә күп бирелгән мәгълүматлы вектор эшкәрткечләре кебек югары җитештерүчәнлекле яңа конструкцияле җайланмалар барлыкка килә. Бу иң элекке тәҗрибә конструкцияләр соңыннан суперсанакларга, мәсәлән, махсус Cray Inc. тарафыннан ясалган суперсанакларга үсеш этәргече булып торган.

Микропроцессорлар (Микроэшкәрткечләр)

1970-енче елларда Федерико Фаггин ясаган фундаменталь уйлап чыгарулар (Silicon Gate MOS интеграцияләнгән микросхемалар, үзлектән тигезләнүче капкалар белән, ул микросхемаларның яңа очраклы мантыйк конструкциясе методологиясе булган) үзәк эшкәрткеч җайланмаларның конструкциясен һәм җиһазландыруын мәңгегә үзгәрткән. 1970-енче елда беренче сатуда булган микроэшкәрткечтән ( Intel 4004), һәм 1974-енче елда беренче киң кулланышта булган микроэшкәрткечтән бирле бу сыйныф үзәк эшкәрткеч җайланмалар тулысынча диярлек башка үзәк эшкәрткеч җайланмалар җиһазландыруларын узып киткән. Ул вакытның зур электрон хисаплау машиналары һәм минисанак җитештерүчеләре иске санак архитектураларын яңарту өчен шәхси интеграль микросхемалар эшләп чыгару программаларын башлаганнар, һәм нәтиҗәдә күрсәтмәләр җыелмалары ярашучан микроэшкәрткечләр җитештереп чыгарганнар, алар үзләренең элегрәк чыккан “тимерләре” һәм программа тәэминатлары белән ярашучан булган. Хәзерге заманда бөтен җирләрдә таралган шәхси санакның килеп чыгуы һәм нәтиҗәдә киң уңышы белән бергә, “үзәк эшкәрткеч җайланма” төшенчәсе хәзерге вакытта гел диярлек микроэшкәрткечләр турында сүз барганда кулланыла. Берничә үзәк эшкәрткеч җайланмасы бер эшкәрткеч чипта җыелырга мөмкин.

Үзәк эшкәрткеч җайланмаларның элеккеге буыннары бер яки берничә платада дискрет компонентлар белән һәм күп санлы интеграцияләнгән микросхемалар булган. Микроэшкәрткечләр, икенче яктан, - бик аз сандагы микросхемалар нигезендә җитештерелгән үзәк эшкәрткеч җайланмалар, гадәттә бер генә микросхема нигезендә. Бер кристаллда җиһазлану нәтиҗәсендә үзәк эшкәрткеч җайланманың гомуми үлчәме кечкенәрәк булуы тизрәк ялгануны аңлата, бу физик факторлар, мәсәлән, кимегән чыганакның (gate) зыянлы сыйдырышлыгы сәбәпле була. Бу синхрон микроэшкәрткечләргә ун мегагерцтан алып берничә гигагерцка кадәр такт ешлыкларга ия булырга мөмкинчелек биргән. Шуңа өстәп, микросхемада кечкенәлеге арта торган транзисторларны конструкцияләү сәләте арту белән бер үзәк эшкәрткеч җайланмада транзисторларның катлаулыгы һәм саны шактый арткан. Бу киң күзәтелә торган юнәлеш Мур кануны белән тасвирлана, ул үзәк эшкәрткеч җайланмаларның (һәм башка интеграль микросхемаларның) вакыт белән катлаулыгы үсешенең шактый төгәл фараз итә.

Соңгы алтмыш ел эчендә үзәк эшкәрткеч җайланмаларның катлаулыгы, үлчәмнәре, конструкциясе һәм гомуми формасы кискен үзгәрсә дә, нигез конструкция һәм функцияләве гомумән алганда күпкә үзгәрмәгән. Бүгенге көнгә барлык диярлек гадәти үзәк эшкәрткеч җайланмалар бик төгәл рәвештә фон Нейман архитектуралы сакланучы программа машиналар буларак тасвирланырга мөмкин. Элегрәк сүзгә алынган Мур кануны дөрес булып калганга күрә, интеграцияләнгән микросхемаларның транзистор технологиясе чикләре турында борчулылар килеп чыкты. Электрон капкаларның экстремаль миниатюризациясе электромиграция һәм суб-бусага агып китүе күренешләренең йогынтысының күбәюенә сәбәп булып тора. Бу яңарак борчылулар – тикшерүчеләрне яңа исәпләү методларны, мәсәлән, квант санакны тикшерергә һәм шулай ук классик фон Нейман моделенең кулайлыгын киңәйтү өчен параллелизмны һәм башка ысулларны тикшерергә сәбәп булып тора.

Эшләү

Күпчелек үзәк эшкәрткеч җайланмаларның фундаменталь эшләве, алар нинди физик формада булсалар да, программа дип аталучы сакланган күрсәтмәләр бер-бер артлы килүен башкарудан гыйбарәт. Программа нинди булса да санак хәтерендә сан төркемнәреннән гыйбарәт. Барлык диярлек үзәк эшкәрткеч җайланмалар эшендә куллана торган дүрт адым бар: чыгарып алу, декодирлау, башкару һәм язу.

Беренче адым, чыгарып алу, программа хәтереннән күрсәтмәне (ул саннардан яки саннар тәртибеннән гыйбарәт). Программа хәтерендә урнашу программада агымдагы урнашуны билгели торган программа санагычы (программный счётчик) белән билгеләнә. Күрсәтмә чыгарып алынганнан соң, программа санагычы хәтер берәмлекләре төшенчәләрендә күрсәтмә сүзенә арттырыла. Программа санагычы “хәтер адресларын”, ә “күрсәтмәләрне” санамаганга күрә, ул күрсәтмә сүзендә булган хәтер берәмлекләре санына арттырыла. Гади фиксацияләнгән озынлыклы күрсәтмә сүзе очрагында сәнәгать стандарт архитектураларында (eng. ISA, Industry Standard Architecture), бу һәрвакыт бер үк сан була. Мәсәлән, 8 битлы хәтер сүзләрен куллана торган фиксацияләнгән озынлыклы 32 битлы ISA күрсәтмә сүзе программа санагычын һәрчакта 4-кә арттырачак (сикерүләр очрагыннан тыш). Төрле озынлыклы күрсәтмә сүзләрен кулланучы сәнәгать стандарт архитектуралары программа санагычын соңгы күрсәтмәнең озынлыгына бәйле хәтер сүзләре санына арттыра. Еш кына, чыгарылып алынырга тиеш күрсәтмә чагыштырмача әкрен хәтердән кайтарылырга тиеш, бу үзәк эшкәрткеч җайланманың күрсәтмә кайтарылганчы көткәндә торуының сәбәбе була. Бу тапшыру хәзерге эшкәрткечләрдә күбесенчә кэш һәм көпшә-сызык архитектуралары белән адреслана (түбәндәрәк карагыз).

Үзәк эшкәрткеч җайланма хәтердән чыгарып алган күрсәтмә үзәк эшкәрткеч җайланмага нәрсә эшләргә икәнен билгеләү өчен кулланыла. Декодирлау адымында, күрсәтмә үзәк эшкәрткеч җайланманың башка өлешләренә мөһим булган бүлекләргә бүленә. Санлы күрсәтмә ничек интерпретацияләнүе үзәк эшкәрткеч җайланманың күрсәтмәләр җыелмасы архитектурасы белән (eng. instruction set architecture (ISA)) билгеләнә. Үзәк эшкәрткеч җайланманың күрсәтмәләр җыелмасы архитектурасы аның интерфейсына һәм кулланылышына фундаменталь булганга күрә, ул еш үзәк эшкәрткеч җайланманың “тибын” билгеләгәндә кулланыла. Мәсәлән, "PowerPC CPU" PowerPC ISAның нинди булса да вариантын куллана. Система башка күрсәтмәләр җыелмасы архитектурасын эмуляторны эшләтеп куллана ала. Еш кына, күрсәтмәнең опкод дип аталучы саннар төркеме нинди операцияне башкарырга кирәк икәнен күрсәтә.Санның калган өлешләре гадәттә шул күрсәтмә өчен кирәк булган мәгълүмат белән тәэмин итәләр, мәсәлән кушу операциясе өчен операндлар. Мондый операндлар даими дәрәҗә (моменталь дәрәҗә дип аталган) белән, яки дәрәҗәне табу өчен урын буларак бирелергә мөмкин: нинди дә булса a адреслау төре белән билгеләнгән регистр яки хәтер адресы белән. Искерәк конструкцияләрдә үзәк эшкәрткеч җайланмаларның күрсәтмә декодирлау өчен җаваплы өлешләре алмаштырылмый торган hardware җайланмалар булган. Шулай да, абстрактрак һәм катлаулырак үзәк эшкәрткеч җайланмаларда һәм күрсәтмәләр җыелмасы архитектураларында күрсәтмәләрне үзәк эшкәрткеч җайланма өчен төрле конфигурацияле сигналларга әверелдерү өчен еш микропрограмма кулланыла. Бу микропрограмма кайвакыт яңадан языла торган була, шулай итеп, эшләп чыгарылудан соң бу микропрограмма үзәк эшкәрткеч җайланманың күрсәтмәләр декодирлау ысулын үзгәртү өчен модификацияләнергә мөмкин. Чыгарып алу һәм декодирлау адымнарыннан соң, башкару адымы үтәлә. Бу адым дәверендә үзәк эшкәрткеч җайланманың төрле өлешләре кирәк булган операцияне башкару өчен бергә тоташтырыла. Мәсәлән, әгәр кушу операциясе соралган булса, арифметик мантыйк җайланма (eng. arithmetic logic unit (ALU)) керүләр җыелмасына һәм чыгышлар җыелмасына тоташтыралачак. Керүләр кушылырга тиеш саннарны тәэмин итә, һәм чыгуларда ахыргы сумма булачак. Арифметик мантыйк җайланмасында керүләр өстендә гади арифметик һәм мантыйк гамәлләрен (операцияләрен) башкару өчен схемалар бар (кушу һәм бит операцияләре кебек). Кушу операциясе үзәк эшкәрткеч җайланма эшкәртерлек дәрәҗәдән зуррак нәтиҗә бирә икән, арифметик “ташу” байрагы регистры шулай ук куелырга мөмкин.

Соңгы адым, язып кую, фәкать башкару адымының нәтиҗәләрен нинди булса да формадагы хәтергә “янә язып куя”. Еш кына нәтиҗәләр берәр төрле эчке үзәк эшкәрткеч җайланма регистрына соңыннан килә торган күрсәтмәләр тарафыннан тиз мөрәҗәгать итү өчен языла. Башка очракларда, нәтиҗәләр әкренрәк, әмма арзанрак һәм эрерәк ирекле ирешүле хәтер җайланмасында (RAM). Кайбер тип күрсәтмәләр турыдан-туры бирелгән мәгълүматлар эшләп чыгармыйлар, ә программа санагычы белән эшлиләр. Болар гадәттә “сикерүләр” дип аталалар һәм элмәкләр, шартлы программа башкару (шартлы сикерүне кулланып) һәм программаларда функцияләрдән гыйбарәт. Кайбер Harvard Mark I кебек элегрәк чыккан санакларда бернинди төр “сикерү” күрсәтмәләре тәэмин ителмәгән, аның каравы алар эшләтә торган программаларның катлаулыгы эффектив рәвештә чикләнгән. Күбесенчә шул сәбәпле бу санакларда яраклы үзәк эшкәрткеч җайланмасы юк дип исәпләнә, гәрчә алар сакланучы программа санакларына бик охшаш булса да. Күп күрсәтмәләр “байраклар” регистрында дигитларның (санлы рәзрәтләрнең) халәтен үзгәртәләр. Бу байраклар программаның тотышына тәэсир итү өчен кулланалар, чөнки алар төрле операцияләрнең нәтиҗәсен күрсәтәләр. Мәсәлән, “чагыштыру” күрсәтмәләрнең бер тибы ике дәрәҗәне чагыштыра һәм байраклар регистрындагы санның дәрәҗәсен нинди дәрәҗә күбрәк булуына карап билгелиләр. Бу байрак соңыннан программа агымын билгеләү өчен сикерү күрсәтмәсе тарафыннан кулланыла ала.

Күрсәтмәне башкару һәм нәтиҗәдә килеп чыккан керү мәгълүматларын язганнан соң, бөтен процесс кабатлана, киләсе күрсәтмә циклы гадәттә программа санагычындагы арттырылган дәрәҗә сәбәпле бер-бер артлы килүдә киләсе күрсәтмәне чыгара. Әгәр дә башкарылган күрсәтмә сикерү булган булса, программа санагычы сикерә торган күрсәтмә адресын үз эченә кертерлек итеп модификацияләнә һәм программа башкаруы гадәттәгечә эшләвен дәвам итә. Монда тасвирланганнан катлаулырак үзәк эшкәрткеч җайланмаларда, бер үк вакытта берничә күрсәтмә чыгарыла, декодирлана һәм башкарыла ала. Бу секция гадәттә классик гадиләштерелгән командалар җыелмасы белән санак конвейеры classic RISC pipeline дип аталганны тасвирлый, ул күп электрон җайланмаларда кулланылучы гади үзәк эшкәрткеч җайланмалар арасында еш кулланыла (ул еш микроэшкәрткеч (микропроцессор) дип атала). Ул күбесенчә үзәк эшкәрткеч җайланма кэшының һәм шулай ук конвейерның кабул итү дәрәҗәсенең әһәмиятле ролен исәпкә алмый.

Конструкция һәм җиһазландырылу

Үзәк эшкәрткеч җайланманың нигез концепциясе түбәндәгечә яңгырый: Үзәк эшкәрткеч җайланманың конструкциясенә күрсәтмәләр җыелмасы дип аталган төп гамәлләр (операцияләр) исемлеге каты бәйләнгән. Мондый операцияләр ике санны кушу һәм алу, саннарны чагыштыру, яки программаның башка өлешенә сикерү булырга мөмкин. Бу нигез операцияләрнең һәрберсе махсус битлар бер-бер артлы килүеннән гыйбарәт; бу махсус операция өчен бер-бер артлы килү опкод дип атала. Үзәк эшкәрткеч җайланмага билгеле опкодны юнәлтү бу опкод тәкъдим иткән операцияне эшләтәчәк. Компьютер программасында күрсәтмәне башкару өчен үзәк эшкәрткеч җайланма бу күрсәтмә өчен опкодны һәм шулай ук аның аргументларын куллана (мәсәлән, кушу операциясе очрагында кушыла торган ике санны) куллана. Шулай итеп, санак программасы күрсәтмәләр бер-бер артлы килүеннән гыйбарәт, ә һәрбер күрсәтмәдә опкод һәм операциянең аргументлары бар. Һәрбер күрсәтмә өчен чын математик операция үзәк эшкәрткеч җайланманың арифметик мантыйк җайланмасы яки АМҖ (eng. ALU) дип аталган суб-җайланма тарафыннан башкарыла. Операцияләрне башкару өчен аның арифметик мантыйк җайланмасын куллануына өстәп, үзәк эшкәрткеч җайланма хәтердән киләсе күрсәтмәне уку өчен, хәтердән аргументларда билгеләнгән керү мәгълүматларын уку өчен һәм хәтергә нәтиҗәләр язу өчен җаваплы.

Күп кенә үзәк эшкәрткеч җайланмалар конструкцияләрендә күрсәтмәләр җыелмасында хәтердән керү бирелгән мәгълүматларын йөкли торган операцияләр һәм математик операцияләрне аералар. Бу очракта хәтердән йөкләнгән керү мәгълүматлары регистрларда саклана, ә математика операциясе аргументлар белән эшләми, ә фәкать регистрларда керү бирелгән мәгълүматлары белән математика гамәлләрен башкара һәм аларны яңа регистрга яза, аның дәрәҗәсен аерым бер операция хәтергә яза ала.

Бөтен саннар диапазоны

Үзәк эшкәрткеч җайланманың саннарны чагылдыру ысулы – ул җайланма эшләвенең иң төп ысулларына йогынты ясый торган конструкция сайлавына бәйле. Кайбер элеккеге санлы санаклар эчтә саннарны чагылдыру өчен гадәттә кулланылган унарлы (нигезе ун булган) саннар системасының электрик моделен кулланганнар. Кайбер күп санлы булмаган башка санаклар экзотикрак булган, мәсәлән, өчле (нигезе өч булган) саннар системасын кулланганнар. Хәзерге үзәк эшкәрткеч җайланмаларның күпчелеге саннарны бинар формада чагылдыралар, монда һәрбер рәзрәт ниндидер ике дәрәҗәле физик микъдар белән билгеләнә, мәсәлән, “югары” һәм “түбән” көчәнеш. Көчәнешнең физик концепциясе табигате буенча аналог, гамәлдә мөмкин булган дәрәҗәләрнең диапазоны чиксез. Бинар саннарны физик чагылдыру өчен көчәнешләрнең куелган дәрәҗәләре бер һәм нуль буларак билгеләнә. Бу дәрәҗәләргә гадәттә схема конструкцияләре һәм үзәк эшкәрткеч җайланмаларны ясау өчен кулланылган ялгагыч элементларның эш параметрлары, мәсәлән, транзисторның бусага дәрәҗәсе йогынты ясый.

MOS 6502 dual in-line package (металл-оксид–ярымүткәргеч) микросанагы, бик популяр 8-бит конструкциясе

Үзәк эшкәрткеч җайланма чагылдыра алган саннарның зурлыгы һәм төгәллеге саннарның чагылдыруына бәйле. Бинар үзәк эшкәрткеч җайланмалар очрагында, “бит” төшенчәсе үзәк эшкәрткеч җайланма эш итә торган саннарда бер билгеле урынга карый. Үзәк эшкәрткеч җайланма куллана торган битлар саны (яки сан урыннары) еш кына "сүз үлчәме", "бит киңлеге", "бирелгән мәгълүматлар юлы киңлеге", яки төгәл бөтен саннар белән эш иткәндә (ә "йөзүче нокта" түгел) "бөтен саннар төгәллеге" дип атала. Бу сан төрле архитектуралар өчен төрле, ә еш шул ук үзәк эшкәрткеч җайланма өчен төрле. Мәсәлән, 8-битлы үзәк эшкәрткеч җайланмасы сигез бинар рәзрәт белән чагыла ала торган (һәрбер рәзрәтнең ике мөмкин дәрәҗәсе булып) саннар диапазоны белән эш итә, ягъни, 2⁸ яки 256 дискрет сан белән. Моның йогынтысында, бөтен саннар үлчәме үзәк эшкәрткеч җайланма җиккән программа тәэминаты эшкәртә алган саннар диапазонына физик чик куя. Үзәк эшкәрткеч җайланмаларның бөтен саннар үлчәме бөтен саннар диапазонына чик куйганлыктан, моннан программа тәэминат һәм аппарат тәэминат техникаларының комбинациясен кулланып арынырга була (һәм еш кына шулай эшләнә дә). Өстәмә хәтер кулланып, программа тәэминаты үзәк эшкәрткеч җайланма чагылдыра ала торганнан күп зурлыкларга артыграк бөтен саннарны чагылдыра ала. Кайвакыт үзәк эшкәрткеч җайланманың архитектурасы зур бөтен саннар арифметикасын чагыштырмача тиз итә торган күрсәтмәләрне тәкъдим итеп, хәтта үзе чагылдыра алганнан саннар белән операцияләрне башкара ала. Бу зур бөтен саннар белән эшләү ысулы үзәк эшкәрткеч җайланманы зуррак бөтен саннар үлчәме белән җиһазландырудан әкренрәк булганлыктан, ул кирәк булган тулы бөтен саннар диапазонын тәэмин итү кыйммәтле булган очракларда отышлы була. Саф программа тәэминаты тарафыннан тәэмин ителгән ирекле үлчәмле бөтен саннар турында тулырак мәгълүмат алу өчен Ирекле үлчәмле бөтен саннар арифметика (Arbitrary-precision arithmetic) мәкаләсен карагыз.

Бөтен саннар диапазоны шулай ук үзәк эшкәрткеч җайланма хәтердә адресларына мөрәҗәгать итә алган урыннар санына тәэсир итә ала. Мисал өчен, бинар үзәк эшкәрткеч җайланма хәтер адресын чагылдыру өчен 32 битны кулланса, һәм һәр хәтер адресы бер октетны (8 бит) чагылдырса, үзәк эшкәрткеч җайланма адресларына мөрәҗәгать итә алган хәтернең максималь зурлыгы 2³² октет, яки 4 GiB булачак. Бу үзәк эшкәрткеч җайланмасының адрес урыннарының бик гади күрсәтүе һәм күп конструкцияләрдә яссы адрес урыннары белән бөтен саннар диапазоны тәкъдим иткәннән күбрәк хәтер белән эшләр өчен битләрне әйләндерү (eng. paging) кебек катлаулырак адресларга мөрәҗәгать итү ысулларын кулланалар.

Бөтен саннарның югарырак дәрәҗәләре өстәмә рәзрәтләр белән эшләү өчен күбрәк структуралар таләп итәләр, һәм шулай итеп, күбрәк катлаулылык, үлчәм, егәрлек сарыф итү һәм гомуми чыгымнар таләп итәләр. Шулай итеп, гәрчә күпкә югарырак диапазон дәрәҗәле (16, 32, 64, хәтта 128-битлы кебек) үзәк эшкәрткеч җайланмалар булса да, хәзерге кулланылышларда 4- яки 8- битлы микроконтроллерларны күрү гадәттән тыш хәл түгел. Гадирәк микроконтроллерлар гадәттә арзанрак, азрак егәрлек куллана, һәм шулай итеп азрак җылылык генерирлыйлар, боларның барысы да электрон җайланмалар өчен төп конструкция сайлавы өчен аргументлар була ала. Шулай да, заманчарак кулланылышларда, өстәмә диапазон тарафыннан тәкъдим ителгән отышлар (иң еш очракта өстәмә адрес урыны) әһәмиятлерәк була һәм контрукция сайлавына йогынты ясыйлар. Кыскарак һәм озынрак бит озынлыклары тәкъдим иткән кайбер отышларына ирешү өчен, күп үзәк эшкәрткеч җайланмалар җайланманың төрле өлешләре өчен төрле бит озынлыгы белән конструкцияләнә. Мәсәлән, IBM System/370 күбесенчә 32 битлы үзәк эшкәрткеч җайланмасын кулланган, әмма аның йөзүче нокта өлешләрендә йөзүче нокта саннарында күбрәк диапазон һәм төгәллеккә ирешү өчен 128-битлы төгәллек кулланылган. Соңрак чыккан үзәк эшкәрткеч җайланмалар конструкцияләрендә охшаш катнаш бит озынлыгын кулланалар, бигрәк тә эшкәрткеч бөтен сан һәм йөзүче нокта мөмкинчелекләрнең максатчан балансы кирәк булган гомуми максатлы кулланылыш өчен булганда.

Такт ешлыгы

Такт ешлыгы – ул микроэшкәрткечнең күрсәтмәләрне башкару тизлеге. Һәрбер санакта эчке такт генераторы бар, ул күрсәтмәләрнең башкарылу дәрәҗәсен регуляцияли һәм барлык төр санак компонентларын синхронизацияли. Үзәк эшкәрткеч җайланмага һәрбер күрсәтмәне башкару өчен фиксацияләнгән тактлар (яки сәгать цикллары) кирәк. Такт ешлыгы тизрәк булган саен, үзәк эшкәрткеч җайланма секундына күбрәк күрсәтмәләр башкара ала.

Күпчелек үзәк эшкәрткеч җайланмалар һәм күпчелек бер-бер артлы килү мантыйгы җайланмалары табигате буенча синхрон булып торалар. Чынлыкта исә, барлык синхрон үзәк эшкәрткеч җайланмалар бер-бер артлы килү мантыйгы һәм комбинацион мантыйгының катнашуын кулланалар. (Буль мантыйгын карагыз). Шулай итеп, алар синхронизация сигналы турында карашлар нигезендә конструкцияләнгән һәм эшлиләр. Бу такт сигналы буларак мәгълүм булган сигнал гадәттә периодик турыпочмаклы дулкын формасын ала. Электрик сигналларның үзәк эшкәрткеч җайланманың схемаларның төрле тармакларында максималь вакытны исәпләп чыгарып, конструкторлар такт сигналы өчен яраклы периодны сайлыйлар.

Период иң начар очракта сигналга узарга яки таралырга кирәк булган вакыт микъдарыннан озынрак булырга тиеш. Такт периодын иң начар очрак таралу тоткарлавыннан ышанычлы артыграк дәрәҗәгә кую, бөтен үзәк эшкәрткеч җайланмасын бирелгән мәгълүматны такт сигналының артучы һәм төшүче “кырыйлары” эчендә хәрәкәтләндерерлек итеп конструкциялиләр. Бу үзәк эшкәрткеч җайланманы гадиләштерү отышлыгын бирә, конструкция ягыннан да, компонентлар саны ягыннан да. Шулай да, аның үзәк эшкәрткеч җайланма гәрчә аның кайбер өлешләре тизрәк эшләсә дә, иң әкрен элементларны көтеп торырга тиеш булуында кимчелекле ягы бар. Бу чикләүне күбесенчә үзәк эшкәрткеч җайланманың параллелизмын арттыруның төрле ысуллары компенсацияли. (Астарак карагыз).

Шулай да, архитектураны камилләштерү генә глобаль рәвештә синхрон үзәк эшкәрткеч җайланмаларның барлык кимчелекләреннән арынырга ирек бирмиләр. Мисал өчен, такт сигналы электр сигналының тоткарлауларына бирешүчән. Югарырак такт дәрәҗәләре катлаулыклары арта торган үзәк эшкәрткеч җайланмаларның бөтен җайланма буенча такт сигналын фазада (синхронизирланган) итеп тотуына комачаулый. Бер ялгыз сигналның әһәмияткә алырлык итеп тоткарлап, үзәк эшкәрткеч җайланманың дөрес эшләмәвенә китермәсен өчен хәзерге үзәк эшкәрткеч җайланмаларда күп идентик такт сигналлары таләп ителә. Такт ешлыклары кискен үсү белән, тагын бер төп маддә булып үзәк эшкәрткеч җайланманың күпме җылылык таратуы тора. Даими рәвештә үзгәрүче тактлар күп компонентларның куллануы-кулланмавына карамастан ялгануына-өзелүенә китерә. Гомумән, ялганучы-өзелүче элемент статик халәттә торганга караганда күбрәк энергия сарыф итә. Шулай итеп, такт ешлыгы арту белән, җылылык тарату арта һәм бу үзәк эшкәрткеч җайланма суытуының эффективрак суыту чишелешләр таләп итүенә сәбәп булып тора.

Кирәк булмаган компонентларның ялгануы-өзелүе белән эшләвенең бер ысулы булып такт бикләве тора, ул такт сигналының кирәк булмаган компонентлардан өзелүеннән тора (аларны эффектив рәвештә өзү). Шулай да, бу еш кына тормышка ашырырга катлаулы булып исәпләнә һәм аз-егәрлекле җайланмалардан тыш киң кулланылыш тапмаган. Такт бикләвен җиккән сүзгә алынырга лаеклы бер үзәк эшкәрткеч җайланма конструкциясе булып IBMның PowerPC нигезендәге Xbox 360 тора. Ул кулланылган җайланмасында алдан әйтеп үтелгән видеоуен консоленда егәрлек таләпләрен киметү өчен киңәйтелгән такт бикләнүен куллана. Глобаль такт сигналы белән килеп чыккан проблемалар белән эшләүнең бер ысулы булып бөтенләй такт сигналын бетерү була. Глобаль такт сигналын бетерү конструкция процессын күп яктан катлаулырак ясаса, асинхрон (яки такт сигналсыз) конструкцияләрнең егәрлек куллануда һәм җылылык таратуда охшаш синхрон конструкцияләргә караганда отышлары бар. Гадәти булмаган күренеш булып, тулаем асинхрон үзәк эшкәрткеч җайланмалары глобаль такт сигналларын җикмичә төзелгән. Боларның ике мисалы булып ARMга ярашучанлы AMULET һәм MIPS R3000 гә ярашучанлы MiniMIPS тора. Такт сигналын бөтенләй бетермичә, кайбер үзәк эшкәрткеч җайланма конструкцияләрендә җайланманың кайбер өлешләре асинхрон була, мәсәлән, кайбер арифметик башкару отышлары өчен суперскаляр конвейер белән асинхрон арифметик мантыйк җайланмалары. Тулаем асинхрон җайланмаларның синхрон коллегаларына караганда чагыштырмача шул ук яки яхшырак дәрәҗәдә эшли алулары ачык булмаганда, аларның гадирәк математик операцияләрендә яхшырак камилрәк эшләүләре ачыктан күренеп тора. Камил егәрлек куллану һәм җылылык тарату үзлекләре белән бергә, аларны эчкә куелган санаклар (eng. embedded computer) өчен бик файдалы итә.

Параллелизм

Алдагы параграфта китерелгән үзәк эшкәрткеч җайланма эшләвенең тасвирламасы үзәк эшкәрткеч җайланма ала алган иң гади формасын тасвирлый. Гадәттә “субскаляр” дип аталган үзәк эшкәрткеч җайланманың бу төре эшли һәм бер яки ике өлеш бирелгән мәгълүмат өстендә бер вакыт эчендә бер күрсәтмәне башкара.

Бу процесс субскаляр үзәк эшкәрткеч җайланмаларда хас булган эффективсызлык артуына китерә. Бер юлы бер генә күрсәтмә башкарганлыктан, киләсе күрсәтмәне башкаруга күчкәнче, үзәк эшкәрткеч җайланма бу күрсәтмә тәмамлануны көтеп торырга тиеш. Нәтиҗәдә, үзәк эшкәрткеч җайланма башкаруны тәмамлар өчен бер такт циклыннан артык кирәк булган күрсәтмәдә тоткарланып кала. Хәтта икенче башкару җайланмасын өстәү дә (астарак карагыз) башкаруны бик камилләштерми; бер узу юлында тоткарлану урынына, хәзер ике узу юлында тоткарлану була һәм кулланмаган транзисторларның саны арта. Бу үзәк эшкәрткеч җайланма башкару ресурслары бер юлы бер генә күрсәтмәне башкара торган конструкция “скаляр” башкаруга ирешә алалар (бер цикл эчендә бер күрсәтмә). Шулай да, башкару һаман диярлек субскаляр була (бер цикл эчендә бер күрсәтмәдән әзрәк).

Скаляр һәм яхшырак башкаруга ирешеп караулар нәтиҗәсендә үзәк эшкәрткеч җайланманы күбрәк сызыкча рәвештә һәм параллельрәк рәвештә тотуның сәбәбе булган төрле конструкция ысуллары килеп чыккан. Үзәк эшкәрткеч җайланмаларда параллелизм турында сүз алып барганда, бу конструкция техникаларын классификацияләү өчен гадәттә ике төшенчә кулланыла. Күрсәтмә дәрәҗәсе параллелизмы (eng. Instruction level parallelism (ILP)) үзәк эшкәрткеч җайланма эчендә күрсәтмәләр башкарыла торган дәрәҗәне арттыруны эзли (ягъни, кристаллда башкару ресурсларын куллануны арттыру) һәм җеп дәрәҗәсе параллелизмының (eng. thread level parallelism (TLP)) максаты санак бер юлы башкара ала торган җепләрнең (эффектив индивидуаль программаларның) санын арттыру. Һәрбер методология боларның икесен җиһазландыру ысуллары буенча аера, шулай ук алар тәкъдим иткән кулланылыш (eng. application) өчен үзәк эшәкрткеч җайланма җитештерүчәнлеген арттыруның чагыштырмача эффективлыгы буенча. Күрсәтмә дәрәҗәсе параллелизмының да (eng. Instruction level parallelism (ILP)), җеп дәрәҗәсе параллелизмының да (eng. Thread level parallelism (TLP)) берсе өстеннән берсенең хас булган өстенлеге юк; алар фәкать үзәк эшкәрткеч җайланма параллелизмын арттыруның төрле ысуллары булып тора. Шулай ук, аларның икесенең дә отышлы яклары һәм кимчелекле яклары бар, алар еш эшкәрткеч нинди тип программа тәэминаты куллануы белән билгеләнә. Югары җеп дәрәҗәсе параллелизмы (TLP) үзәк эшкәрткеч җайланмалары үзләрен күпсанлы кечерәк кулланышка бүлү өчен биреп тора торган кулланылышларда (кушымталарда) кулланыла, алар шулай ук каушаттыргыч параллель мәсьәләләр дип атала (eng. embarrassingly parallel problems). Еш кына, югары җеп дәрәҗәсе параллелизмы конструкциясе стратегияләре белән, мәсәлән, SMP белән чишеп була торган мәсьәлә югары күрсәтмә дәрәҗәсе параллелизмы (ILP) җайланмаларында, мәсәлән суперскаляр үзәк эшкәрткеч җайланмаларында шактый күбрәк вакыт сарыф итеп чишелә, һәм киресенчә дә.

Күрсәтмә дәрәҗәсе параллелизмы

Арттырылган параллелизмны башкару өчен иң гади ысулларның берсе булып күрсәтмәнең беренче адымнарын чыгарып алуны һәм декодирлауны алдан килүче күрсәтмә башкару тәмамланганчы башлау тора. Бу иң гади формада техника күрсәтмә конвейеры атамасы астында мәгълүм, һәм ул барлык диярлек хәзерге заман гомуми максатлы үзәк эшкәрткеч җайланмаларда кулланыла. Конвейер технологиясе теләсә нинди бирелгән вакытта башкару юлын дискрет стадияләргә бүлеп бер күрсәтмәдән артык башкарырга мөмкин итә. Мондый бүлүне җыю тасмасы белән чагыштырырга була, монда күрсәтмә һәрбер стадиядә тулырак була һәм ниһаять башкару конвейерыннан чыга һәм эшкәртелүдән чыга. Шулай да, конвейер технологиясендә киләсе операцияне тәмамлау өчен алдан килүче операциянең нәтиҗәсе кирәк булган ситуация мөмкинчелеген тәкъдим итә; бу халәт еш бирелгән мәгълүматка бәйле конфликт дип атала. Моны җиңү өчен, мондый сорт халәтләрне тикшерү өчен һәм мондый очрак булса, күрсәтмә конвейерының өлешен тоткарлау өчен өстәмә игътибар бирелергә тиеш. Табигый хәл ки, моны башкару өчен өстәмә схемалар кирәк, шулай итеп, конвейер эшкәрткечләре субскаляр конвейерлардан катлаулырак (шулай да бик күпкә түгел). Конвейерлы эшкәрткеч скалярга якынча бик охшаш була ала, фәкать конвейер тукталышлары тарафыннан тоткарланган очракта (күрсәтмә стадия өчен бер такт циклыннан артык сарыф иткән очракта).

Күрсәтмә конвейеры фикеренең камилләштерүен дәвам итү үзәк эшкәрткеч җайланма компонентларының буш йөреш вакытын тагын да киметә торган ысул барлыкка килүгә китергән. “Суперскаляр” дип аталган конструкцияләрдә озын күрсәтмә конвейеры һәм күптөрле идентик башкару җайланмалары бар. Суперскаляр конвейерда күптөрле күрсәтмәләр укыла һәм диспетчерга тапшырыла, ул күрсәтмәләр параллель рәвештә (бер үк вакытта) башкарыла аламы юкмы икәнен карар итә. Гомумән, үзәк эшкәрткеч җайланма көтеп торган башкару җайланмаларына бер үк вакытта күбрәк күрсәтмәләр тапшырган саен, бирелгән циклда күбрәк күрсәтмәләр башкарылачак. Суперскаляр үзәк эшкәрткеч җайланмаларны конструкцияләүнең катлаулыгы эффектив диспетчерны барлыкка китерүдә ята. Диспетчер тиз һәм коррект рәвештә күрсәтмәләр параллель рәвештә башкарыла аламы юкмы икәнен карар бирергә тиеш, һәм шулай ук аларны мөмкин кадәр күбрәк башкару җайланмалары эшли торган итеп таратырга тиеш. Бу күрсәтмә конвейеры ешрак тутырылып һәм әһәмияткә алырлык эре үзәк эшкәрткеч җайланма кэшы өчен суперскаляр архитектураларга ихтыяҗ тудыра. Шулай ук ул гадәттән тыш хәлдән арыну техникаларын башкара, мәсәлән тармак фаразлавы, фикер итеп башкару һәм югары башкару дәрәҗәләрен тәэмин итү өчен эштән чыгу башкаруы. Шартлы күрсәтмә нинди тармак (яки юл) буенча барачагын фараз итеп карап, үзәк эшкәрткеч җайланма бөтен конвейер шартлы күрсәтмә тәмамланганчы көтеп тору вакытлар санын минимизацияли ала. Фикер йөртүче башкару шартлы операция тәмамлангач кирәк булмаска мөмкин код өлешләрен башкарып еш ышанычлы башкару артуларын тәкъдим итә. Эштән чыгу башкаруы бирелгән мәгълүматларга бәйле тоткарлануны киметү өчен күрсәтмәләр башкарыла торган бер-бер артлы килүен алмаштыра дип тасвирлап була. Шулай ук Ялгыз Күрсәтмәләр Күпсанлы Бирелгән Мәгълүматлар (eng. Single Instructions Multiple Data) очрагында – бер үк типтан күп бирелгән мәгълүматлар эшкәртелергә тиеш очракта, хәзерге заман эшкәрткечләре конвейерның кайбер өлешләрен эшләтми ала, шулай итеп бер күрсәтмә күп мәртәбә башкарылырга тиеш булганда, үзәк эшкәрткеч җайланма чыгарып алу һәм декодирлау фазаларын сикереп уза һәм шулай итеп билгеле очракларда җитештерүчәнлекне шактый арттыра, бигрәк тә видео ясау программа тәэминатында һәм фото эшкәртү кебек югары монотонлы программа этәргечләрендә.

Үзәк эшкәрткеч җайланманың бер өлеше суперскаляр, ә бер өлеше юк булганда, суперскаляр булмаган өлеше маршрут тоткарланывына бәйле җитештерү кимүенә дучар була. Intel ширкәтенең P5 Pentiumының ике суперскаляр арифметик мантыйк җайланмасы булган, аларның һәрберсе бер такт эчендә бер генә күрсәтмә кабул итә алган, әмма аларның FPU-сы (eng. floating poing unit, рус. математический сопроцессор, математик кушэшкәрткече) бер такт эчендә бер күрсәтмәне кабул итә алмаган. Шулай итеп, P5 бөтен сан суперскаляр булган, әмма йөзүче нокта (яки йөзүче өтер) суперскаляр булмаган. Intel-ның P5 архитектурасының варисы, P6 үзенең йөзүче нокта үзлекләренә суперскаляр мөмкинчелекләрне өстәгән, һәм шулай итеп йөзүче нокта күрсәтмә җитештерүчәнлегенә әһәмияткә алырлык зур арту тәкъдим иткән.

Гади конвейер һәм суперскаляр конструкция дә үзәк эшкәрткеч җайланманың күрсәтмә дәрәҗәсе параллелизмын бер процессорга бер цикл эчендә бер күрсәтмә дәрәҗәсеннән артык тизлекләрдә күрсәтмәне башкару тәмамларга мөмкинчелек бирә. Бик суперскаляр архитектураларда иң яхшы очрактагы сценарийда (яки пик) IPC (eng. interprocess communication, процесс-ара аралашу) дәрәҗәләренә (тизлекләренә) ирешү бик авыр, чөнки күрсәтмә конвейерын һаман тулы итеп тоту мөмкин түгел. Шулай итеп, бик суперскаляр үзәк эшкәрткеч җайланмаларда пик процесс-ара аралашуы турында түгел, ә уртача тәэмин ителгән процесс-ара сүз алып барыла. Күпчелек хәзерге үзәк эшкәрткеч җайланмалар кимендә ниндидер чамада суперскаляр булып торып, һәм соңгы унъеллыкта конструкцияләнгән гомуми максат үзәк эшкәрткеч җайланмалар суперскаляр булып тора. Соңрак елларда югары күрсәтмә дәрәҗәсе санакларны конструкцияләүдә төп әһәмият үзәк эшкәрткеч җайланманың аппарат тәэминатыннан аның программа тәэминатына, яки күрсәтмәләр җыелмасына (eng. ISA) күчкән. Бик югары күрсәтмә сүзе (eng. very long instruction word (VLIW)) стратегиясе берникадәр күрсәтмә дәрәҗәсе параллелизмын турыдан туры программа тәэминаты ярдәмендә тәэмин ителүенә сәбәп булып торып үзәк эшкәрткеч җайланманың күрсәтмә дәрәҗәсе параллелизмын тәэмин итү өчен үзәк эшкәрткеч башкарырга тиеш эш микъдарын киметә һәм шулай итеп конструкция катлаулыгын киметә.

Җеп дәрәҗәсе параллелизмы

Җитештерүчәнлеккә ирешүнең тагын бер стратегиясе булып күпсанлы программаларны яки җепләрне параллель рәвештә башкару тора.

Бу өлкә параллель исәпләү атамасы астында мәгълүм. Флинн таксономиясендә бу стратегия Күпсанлы Күрсәтмәләр – Күпсанлы Бирелгән Мәгълүматлар атамасы астында мәгълүм (eng. Multiple Instructions-Multiple Data or MIMD). Бу максат өчен кулланылган технологияләрнең берсе - күпсанлы эшкәртү (eng. multiprocessing (MP)), монда аз сандагы үзәк эшкәрткеч җайланмалар аларның хәтер системасын уртаклашалар. Бу схемада, һәрбер үзәк эшкәрткеч җайланманың даими рәвештә вакытка туры килгән хәтернең карашын тәэмин итү өчен өстәмә аппарат тәэминаты бар. Хәтергә кырыс карашлардан читләнеп, шул ук программаны башкарганда үзәк эшкәрткеч җайланмалар бергә эшли алалар һәм программалар бер үзәк эшкәрткеч җайланмадан икенчесенә күчә ала. Бергә эшләүче үзәк эшкәрткеч җайланмалар санын бер учтан арттырыр өчен 1990-ынчы елларда униформаль булмаган хәтер мөрәҗәгате (eng. non-uniform memory access (NUMA)) һәм директорияләргә нигезләнгән килештерү протоколлары кертелгән булган. SMP системалар аз сандагы үзәк эшкәрткеч җайланмалар белән чикләнгән, ә шул ук вакытта NUMA системалар меңнәрчә эшкәрткечләр белән төзелгән булган. Башлангыч вакытта күпсанлы эшкәртү күпсанлы дискрет үзәк эшкәрткеч җайланмаларны һәм платаларны кулланып эшкәрткечләр арасындагы үзара тоташуны җиһазландыру өчен төзелгән. Эшкәрткечләр һәм алар арасындагы тоташу бөтенесе бер кремний чипта җиһазландырылган булса, бу технология күп-төш микроэшкәрткеч дип атала (eng. multi-core microprocessor).

Соңрак яхшырак параллелизм бер программа белән булганы танылган. Бер программаның берничә җебе (яки функциясе) булырга мөмкин, алар аерым яки параллель башкарылырга мөмкин. Бу технологиягә гомумирәк караш 1970-енче елларда кертелгән булган, ул вакытта системалар күп исәпләү җепләрен параллель эшләрлек итеп конструкцияләнгән. Бу технология күпсанлы җеп (eng. multithreading (MT)) буларак мәгълүм. Бу караш күпсанлы эшкәртүгә караганда кыйммәткә төшә дип исәпләнә, чөнки үзәк эшкәрткеч җайланма эчендә компонентларның аз микъдары гына күп җепләрне тәэмин итү өчен кабатлана, ә күпсанлы эшкәртү очрагында киресенчә тулысынча үзәк эшкәрткеч җайланмасы. Күпсанлы җепләр ысулында башкару җайланмалары һәм кэшларны кертеп хәтер системалары күпсанлы җепләр арасында бүленә. Күпсанлы җепләр ысулының кимчелекле ягы булып программа тәэминаты күпсанлы эшкәртүгә караганда күбрәк күренә, шулай итеп операцион системалар кебек карап торучы программа тәэминаты күпсанлы җепләрне тәэмин итү өчен күбрәк үзгәрешләргә дучар булырга тиеш. Күпсанлы җепләрнең кулланылган бер тибы блок күпсанлы җепләре буларак мәгълүм, монда бирелгән мәгълүматларның тышкы хәтердән кайтканчы көтеп тору өчен туктатылганчы бер җеп башкарыла. Бу схемада үзәк эшкәрткеч җайланма шуннан соң эшләргә әзер башка җепкә тиз күчә, ялгану еш бер цикл эчендә эшләнә, мәсәлән UltraSPARC технологиясендә. Күпсанлы җепләрнең тагын бер тибы бер үк вакыттагы күпсанлы җепләр атамасы астында мәгълүм, монда күпсанлы җепләрнең күрсәтмәләре параллель рәвештә үзәк эшкәрткеч җайланманың бер такт циклы эчендә башкарыла.

1970-енче еллардан алып 2000-енче елларның башына кадәр бер ничә дистә еллар буена югары җитештерүчәнлекле гомуми максатлы үзәк эшкәрткеч җайланмаларны конструкцияләрдә төп әһәмият күбесенчә конвейрлау, кэшлар, суперскаляр башкару, эштән чыгу башкаруы технологияләрен җигеп югары күрсәтмә дәрәҗәсе параллелизмы ирешүенә бирелгән. Бу юнәлеш Intel Pentium 4 кебек зур, энергиягә-ач үзәк эшкәрткеч җайланмаларында булган. 2000-енче еллар башына үзәк эшкәрткеч җайланма конструкторлары күрсәтмә дәрәҗәсе параллелизмы техникаларыннан югарырак җитештерүчәнлекне ирешүдән үзәк эшкәрткеч җайланма эш ешлыклары һәм төп хәтер эш ешлыклары арасындагы үсүче диспаритет һәм шулай ук күбрәк эчке күрсәтмә дәрәҗәсе параллелизмы аркасында кискенләшүче үзәк эшкәрткеч җайланма энергия тарату сәбәпле тоткарланган булганнар.

Шуннан соң конструкторлар исәпләү базарларыннан фикерләр алганнар, мәсәлән солых эшкәртүе (eng. transaction processing), монда күпсанлы программаларның тулаем җитештерүчәнлеге (шулай ук үткәрүчәнлек сәләте исәпләве атамасы астында мәгълүм, eng. throughput computing) программаның бер җебе җитештерүчәнлегеннән әһәмиятлерәк булган.

Бу әһәмият бирү үзгәреше ике һәм күпсанлы төш чип дәрәҗәсе күпсанлы эшкәртү (eng. CMP (chip-level multiprocessing)) конструкцияләр таралу вакытында булган һәм ассызыклап Intel ның яңарак аның әзрәк суперскаляр булган P6 архитектурасына охшаш яңарак конструкцияләр булган. Берничә эшкәрткеч гаиләләрендә соңрак конструкцияләргә чип дәрәҗәсе күпсанлы эшкәртү хас, шуларга x86-64 Opteron һәм Athlon 64 X2, SPARC UltraSPARC T1, IBM POWER4 һәм POWER5, шулай ук берничә видеоуен консоле үзәк эшкәрткеч җайланмалары, мәсәлән Xbox 360ның өч төш PowerPC конструкциясе һәм PS3нең 7-төшле Cell микроэшкәрткече керә.

Бирелгән мәгълүматлар параллелизмы

Үзәк эшкәрткеч җайланмаларның (һәм чынлыкта гомумән исәпләүнең) хосусыйрак, әмма әһәмияте арта торган парадигмы бирелгән мәгълүматлар параллелизмы белән эш итә. Элегрәк тасвирланган эшкәрткечләр барысы да берәр тип скаляр җайланма булып тора. Элегрәк скаляр төшенчәсе төрле күрсәтмә дәрәҗәсе параллелизмы тарафыннан тәкъдим ителгән бер цикл эчендә башкарылган күрсәтмәләр санын чагыштыру өчен кулланылган. Монда төшенчә векторлардан аермалы буларак кырыс математик мәгънәсендә кулланыла. Скаляр (математика) һәм вектор (геометрия) мәкаләләрен карагыз. Атамасыннан ук билгеле, вектор эшкәрткечләр бер күрсәтмә контекстында күпсанлы өлеш бирелгән мәгълүматлар белән эш итә. Флинның таксономиясен кулланып бу бирелгән мәгълүматлар белән эш итүнең ике схемасы гадәттә бер күрсәтмә – күпсанлы бирелгән мәгълүматлар (eng. SIMD (single instruction, multiple data)) дип атала. Бирелгән мәгълүмат векторлары белән эш итә торган үзәк эшкәрткеч җайланмаларны ясауда зур кулланыш булып зур бирелгән мәгълүматлар җыелмасы белән башкарылырга тиеш бер үк операцияне (мәсәлән кушуны, яки скаляр тапкырламаны) таләп итәргә тенденциясе булган биремнәрне оптимизацияләүдә. Бу тип биремнәрнең кайбер классик мисаллары булып мультимедиа кулланылышлар (сурәтләр, видео һәм тавыш), шулай ук күп тип исәпләү һәм инженер биремнәр тора. Скаляр үзәк эшкәрткеч җайланма чыгарып алуның бөтен процессын тәмамларга тиеш булса, вектор үзәк эшкәрткеч җайланма бер күрсәтмә белән чагыштырмача зур бирелгән мәгълүматлар җыелмасы белән бер операцияне башкара ала. Әлбәттә, бу кулланылыш зур бирелгән мәгълүматлар җыелмасына бер операцияне кулланучы күп адымнар таләп иткәндә генә мөмкин була.

Cray-1 кебек күпчелек элеккеге вектор үзәк эшкәрткеч җайланмалар күбесенчә диярлек фәнни тикшеренүләр һәм криптография кулланылышлары белән ассоциацияләнгән. Шулай да, мультимедиа күбесенчә цифрга күчкәч, гомуми максатлы үзәк эшкәрткеч җайланмаларда ниндидер формадагы бер күрсәтмә – күпсанлы бирелгән мәгълүматларга (SIMD) ихтыяҗ әһәмиятле булган. Йөзүче нокта башкару җайланмаларны (яки йөзүче өтер башкару җайланмаларны) кертүдән соң гомуми кулланылышлы эшкәрткечләрдә гадәти булган, спецификацияләр һәм SIMD башкаруы җайланмалары җиһазланулары шулай ук гомуми максатлы үзәк эшкәрткеч җайланмалар өчен килә башлаганнар. Шул элеккеге SIMD спецификацияләрнең, мәсәлән HP-ның Мультимедиа Тизләнеше Киңәйтүләре (MAX) (eng. Multimedia Acceleration eXtensions (MAX)) һәм Intel–ның MMX-ы (eng. (MMX (instruction set), MMX)) бөтенсанлы гына булганнар. Кайбер программа тәэминаты эшләүчеләр өчен бу әһәмияткә алырлык тоткарлау булган, чөнки SIMD-дан табыш ала торган күп кулланылышлар беренче чиратта йөзүче нокта (йөзүче өтер) саннар белән эш итә. Дәвам иттереп, бу элеккеге конструкцияләр камилләштерелгән һәм үзгәртелеп эшләнеп хәзерге гадәти SIMD спецификацияләргә әвердерелгән, алар гадәттә бер ISA белән ассоциацияләнә. Хәзерге сүзгә алырга лаеклы кайбер мисаллар булып Intel – ның SSE һәм PowerPC – га бәйләнешле AltiVec (шулай ук VMX атамасы астында мәгълүм). Гәрчә SSE/SSE2/SSE3 MMX-ны Intel-ның гомуми максатлы үзәк эшкәрткеч җайланмаларда алмаштырсалар да, соңрак чыккан IA-32 конструкцияләре MMX-ны тәэмин итүләрен дәвам иткән. Бу гадәттә шул ук күпкә киңәйтелгәнрәк булган SSE күрсәтмә җыелмаларын тәэмин итүче аппарат тәэминатын MMX функциональлегенең күпчелеген тәэмин итеп башкарыла.

Җитештерүчәнлек

Эшкәрткечнең җитештерүчәнлеге яки “тизлеге” такт тизлегенә бәйле (гадәттә ул Герц берәмлекләрендә һәм бер тактта күрсәтмәләрдә (eng. instructions per clock (IPC)) үлчәнә, алар бергә үзәк эшкәрткеч җайланма башкара ала торган секунд эчендә күрсәтмәләрдә instructions per clock (IPC) үлчәнә.

Игълан ителгән күп IPS дәрәҗәләр аз тармаклы ясалма күрсәтмә бер-бер артлы килүләрдәге “пик” башкару дәрәҗәләрен чагылдыра, ә гамәлдә исә эш йөкләмәләре күрсәтмәләр һәм кулланылышлар катнашмасыннан тора, аларның кайберләренә башкарылыр өчен күбрәк вакыт кирәк була. Хәтер иерархиясенең җитештерүчәнлеге шулай ук эшкәрткеч җайланмасына зур йогынты ясый, MIPS исәпләүләрендә бу маддә сирәк исәпкә алына. Бу проблемалар сәбәпле бу максат өчен төрле стандарт тестлар, (еш алар "benchmarks") дип атала, эшләнгән, мәсәлән SPECint, бу тестлар ярдәмендә киң кулланыла торган кушымталарда (кулланылышларда) чын эффектив җитештерүчәнлек үлчәнеп карала.

Санакларның эшкәртү җитештерүе күп төш эшкәрткечләрне кулланып арттырыла, монда ике яки күбрәк шәхси эшкәрткечләр (бу мәгънәдә алар “төшләр” дип атала) бер микросхемага кертелә.

Идеаль очракта, ике төш эшкәрткече бер төш эшкәрткеченнән якынча ике мәртәбә егәрлерәк була. Гамәлдә исә, шулай да, җитештерүчәнлектә отыш шактый азрак, фәкать 50% була, бу камил булмаган программа тәэминаты алгоритмнары һәм җиһазландыру сәбәпле була.

Шулай ук карагыз

Әдәбият

Hennessy, Goldberg, David, Computer Architecture: A Quantitative Approach, Morgan Kaufmann Publishers, 1996, isbn = 1-55860-329-8
Gary D. Knott (1974) A proposal for certain process management and intercommunication primitives ACM SIGOPS Operating Systems Review. Volume 8, Issue 4 (October 1974). pp. 7 – 44
MIPS Technologies, Inc. , MIPS32 Architecture For Programmers Volume II: The MIPS32 Instruction Set MIPS Technologies, Inc. , 2005
Smotherman Mark, 2005, (url = http://www.cs.clemson.edu/~mark/multithreading.html | title = History of Multithreading | accessdate = 2005-12-19)

Сылтамалар

Microprocessor designers

Advanced Micro Devices - Advanced Micro Devices, a designer of primarily x86-compatible personal computer CPUs.
ARM Ltd - ARM Ltd, one of the few CPU designers that profits solely by licensing their designs rather than manufacturing them. ARM architecture microprocessors are among the most popular in the world for embedded applications.
Freescale Semiconductor (formerly of Motorola) - Freescale Semiconductor, designer of several embedded and SoC PowerPC based processors.
IBM Microelectronics 2007 елның 29 август көнендә архивланган. - Microelectronics division of IBM, which is responsible for many POWER and PowerPC based designs, including many of the CPUs utilized in late video game consoles.
Intel Corp - Intel, a maker of several notable CPU lines, including IA-32 and IA-64. Also a producer of various peripheral chips for use with their CPUs.
Microchip Technology Inc. - Microchip, developers of the 8 and 16-bit short pipleine RISC and DSP microcontrollers.
MIPS Technologies - MIPS Technologies, developers of the MIPS architecture, a pioneer in RISC designs.
NEC Electronics 2009 елның 16 март көнендә архивланган. - NEC Electronics 2009 елның 16 март көнендә архивланган., developers of the 78K0 8-bit Architecture 2008 елның 28 октябрь көнендә архивланган., 78K0R 16-bit Architecture 2009 елның 10 март көнендә архивланган., and V850 32-bit Architecture 2009 елның 16 март көнендә архивланган..
Sun Microsystems - Sun Microsystems, developers of the SPARC architecture, a RISC design.
Texas Instruments(үле сылтама) - Texas Instruments semiconductor division. Designs and manufactures several types of low-power microcontrollers among their many other semiconductor products.
Transmeta - Transmeta Corporation. Creators of low-power x86 compatibles like Crusoe and Efficeon.
VIA Technologies - Taiwanese maker of low-power x86-compatible CPUs.
25 Microchips that shook the world 2009 елның 5 май көнендә архивланган. - an article by the Institute of Electrical and Electronics Engineers