Γιατί ο αγωγός βελτιώνει την απόδοση στην CPU;

Οι αγωγοί βελτιώνουν την απόδοση της CPU επικαλύπτοντας την εκτέλεση πολλαπλών οδηγιών. Αντί να περιμένουν μια εντολή να ολοκληρωθεί εξ ολοκλήρου πριν ξεκινήσει το επόμενο, ένας αγωγός σπάει την εκτέλεση οδηγιών σε μικρότερα στάδια. Διαφορετικές οδηγίες μπορούν να βρίσκονται σε διαφορετικά στάδια εκτέλεσης ταυτόχρονα. Αυτό είναι ανάλογο με μια γραμμή συναρμολόγησης σε ένα εργοστάσιο. Κάθε στάδιο εκτελεί μια συγκεκριμένη εργασία σχετικά με τις οδηγίες και οι οδηγίες ρέουν ταυτόχρονα στα στάδια.

Ακολουθεί μια κατανομή του γιατί αυτό οδηγεί σε κέρδη απόδοσης:

* Αυξημένη διακίνηση οδηγιών: Το βασικό πλεονέκτημα είναι η δυνατότητα να εκδώσει μια νέα εντολή κάθε κύκλο ρολογιού, ακόμη και αν κάθε εντολή παίρνει πολλαπλούς κύκλους ρολογιού για να ολοκληρωθεί. Αυτό αυξάνει σημαντικά τον αριθμό των οδηγιών που επεξεργάζονται ανά μονάδα χρόνου.

* Βελτιωμένη χρησιμοποίηση των πόρων CPU: Ο αγωγός διατηρεί διάφορα εξαρτήματα της CPU απασχολημένος. Ενώ μια εντολή εκτελεί την αριθμητική της λειτουργία στο ALU, μια άλλη εντολή μπορεί να λαμβάνει την επόμενη εντολή από τη μνήμη και μια άλλη μπορεί να γράφει το αποτέλεσμα σε ένα μητρώο. Αυτό μεγιστοποιεί τη χρήση των πόρων.

* Μειωμένο μέσο χρόνο εκτέλεσης διδασκαλίας (αν και όχι μεμονωμένος χρόνος διδασκαλίας): Ενώ ο χρόνος για την εκτέλεση μιας * μονής * εντολής μπορεί να παραμείνει σε μεγάλο βαθμό η ίδια (ή ακόμα και ελαφρώς αύξηση λόγω των γενικών σταθμών αγωγών), ο μέσος χρόνος * για την εκτέλεση μιας * ακολουθίας * των οδηγιών μειώνεται σημαντικά λόγω της επικαλυπτόμενης εκτέλεσης.

Ωστόσο, οι αγωγοί δεν είναι χωρίς τους περιορισμούς τους:

* Κίνδυνοι αγωγών: Αυτές είναι καταστάσεις που μπορούν να διαταράξουν την ομαλή ροή των οδηγιών μέσω του αγωγού. Οι κύριοι τύποι είναι:

* Κίνδυνοι δεδομένων: Μια εντολή χρειάζεται δεδομένα που δεν έχουν παραχθεί ακόμη με προηγούμενη εντολή.

* Κίνδυνοι ελέγχου: Μια εντολή υποκαταστήματος μεταβάλλει τη ροή του προγράμματος, καθιστώντας κάποιες οδηγίες στον αγωγό άσχετο.

* Δομικοί κίνδυνοι: Το υλικό δεν διαθέτει τους πόρους για την εκτέλεση πολλαπλών οδηγιών ταυτόχρονα στον αγωγό (π.χ. μόνο μία πρόσβαση μνήμης τη φορά).

Αυτοί οι κίνδυνοι απαιτούν τεχνικές όπως η προώθηση, η καθυστέρηση (εισάγοντας φυσαλίδες) και η πρόβλεψη των κλάδων για να μετριάσουν τις αρνητικές επιπτώσεις τους στην απόδοση. Παρά τις προκλήσεις αυτές, τα οφέλη της αγωγιμότητας από την άποψη της αυξημένης απόδοσης υπερβαίνουν κατά πολύ το κόστος στις περισσότερες σύγχρονες CPU. Οι εξελιγμένες τεχνικές αναπτύσσονται συνεχώς για να βελτιστοποιήσουν περαιτέρω την απόδοση των αγωγών και να χειριστούν τους κινδύνους πιο αποτελεσματικά.