خطوط أنابيب الكمبيوتر
تم تقديم خطوط أنابيب الكمبيوتر لأول مرة بواسطة شركة Intel في شريحة 486. الطريقة التي يعمل بها خط الأنابيب تشبه خط التجميع الصناعي. داخل وحدة المعالجة المركزية، تشكل سلسلة من وحدات الدوائر ذات الوظائف المميزة خط أنابيب لمعالجة التعليمات؛ يتم تقسيم تعليمات x86 إلى خمس أو ست خطوات، والتي يتم تنفيذها بعد ذلك بالتسلسل بواسطة هذه الوحدات. يتيح ذلك إكمال التعليمات خلال دورة ساعة واحدة لوحدة المعالجة المركزية، وبالتالي زيادة سرعة معالجة وحدة المعالجة المركزية. في معالج Pentium الكلاسيكي، يتكون كل خط أنابيب للأعداد الصحيحة من أربع مراحل-الجلب المسبق للتعليمات وفك التشفير والتنفيذ والكتابة-رجوع-بينما يتكون خط الأنابيب النقطي العائم- من ثماني مراحل.
تعد خطوط الأنابيب تقنية رئيسية تستخدم على نطاق واسع في المعالجات الدقيقة (CPUs). فهو يصف الطريقة التي يتم من خلالها تنفيذ التعليمات داخل وحدة المعالجة المركزية (CPU)؛ لفهم خطوط الأنابيب، يجب على المرء أولاً أن يفهم التعليمات وعملية تنفيذها.
تعليمات الكمبيوتر
تعليمات الكمبيوتر هي مجموعة محددة من البيانات الثنائية التي تخبر وحدة المعالجة المركزية بما يجب القيام به. إذا تم تشبيه وحدة المعالجة المركزية بمصنع تصنيع، فإن التعليمات تكون أقرب إلى طلب العميل؛ فهو يطلق سلسلة من الإجراءات داخل "مصنع" وحدة المعالجة المركزية، مما يؤدي في النهاية إلى الحصول على نتيجة حسابية-للمنتج النهائي. كيف يعمل هذا في الواقع؟ أولاً، يجب أن يكون هناك قسم لتلقي أوامر-وحدة جلب تعليمات وحدة المعالجة المركزية؛ ثانيًا، يجب أن تكون هناك ورشة عمل لتنفيذ أوامر-وحدة تنفيذ تعليمات وحدة المعالجة المركزية. في المصنع، يتم تقسيم إنتاج السلعة إلى خطوات تصنيع متعددة؛ وبالمثل، يتم تحويل التعليمات إلى سلسلة من العمليات الدقيقة-المتوافقة داخل وحدة المعالجة المركزية. إن إكمال هذه العمليات الدقيقة-بالتسلسل يشكل تنفيذ التعليمات بأكملها.
تنفيذ التعليمات
في وحدات المعالجة المركزية (CPUs) المنخفضة-، يكون تنفيذ التعليمات تسلسليًا؛ ببساطة، يتم إكمال تعليمات واحدة قبل أن تبدأ التعليمات التالية. وهذا مثل المصنع المذكور في أيامه الأولى، والذي كان يتكون من ورشة صغيرة فقط ومالك واحد يعمل بمفرده: عند استلام الطلب، سيكون مشغولاً بالكامل بتنفيذ ذلك الطلب الأول ولا يستطيع قبول الطلب الثاني. وبالتالي فإن دورة تلقي الطلبات وإكمالها-أو جلب التعليمات وتنفيذها-هي عملية تسلسلية. وفي وقت لاحق، اكتشف الرئيس أن تلقي الأوامر لا يتطلب الكثير من الوقت. وبمساعدة أحد المساعدين، يمكن للاثنين العمل بشكل مستقل؛ سمح هذا للرئيس بقبول طلب جديد مع إنهاء المنتجات الخاصة بالمنتج السابق في نفس الوقت. فيما يتعلق ببنية وحدة المعالجة المركزية، يتوافق هذا مع فصل وحدة جلب التعليمات - عن وحدة تنفيذ التعليمات -. وبالتالي، يمكن لوحدة المعالجة المركزية جلب التعليمات التالية بالتوازي أثناء تنفيذ التعليمات الحالية. يمثل هذا نقلة نوعية في تكنولوجيا وحدة المعالجة المركزية، وتحويل العمليات من المعالجة التسلسلية إلى المعالجة المتوازية وإنشاء النموذج الأولي لخط أنابيب التعليمات.
بمجرد أن تكمل وحدة المعالجة المركزية الخطوة المذكورة أعلاه، يكمن التحدي المتبقي في تعزيز قدرات المعالجة المتوازية. من خلال الإلهام من خطوط تجميع المصنع، قام مصممو وحدة المعالجة المركزية بتقسيم تنفيذ تعليمات واحدة إلى عدة مراحل متميزة-أو "تعليمات-دقيقة"-وبالتالي تقليل تعقيد التعليمات بشكل كبير، وتبسيط التصميم المنطقي، وزيادة السرعة. في وحدات المعالجة المركزية (CPU) التي تستخدم تقنية خطوط الأنابيب، بمجرد انتهاء إحدى التعليمات من "مرحلتها" الأولى، تدخل التعليمات التالية على الفور إلى خط الأنابيب لبدء التنفيذ. من الواضح أن أسلوب التدفق هذا يتطلب وحدات تنفيذ متعددة-وهي ميزة يتم تنفيذها في شرائح x86.
