سپر اسکیلر پروسیسر: فن تعمیر، پائپ لائننگ، اقسام اور اس کی ایپلی کیشنز

اس دنیا میں ہر کوئی اپنا کام/کام روزہ سے کروانا چاہتا ہے۔ ہے نا؟ کاروں سے لے کر صنعتی تک گھریلو مشینوں تک ہر کوئی چاہتا ہے کہ وہ تیزی سے کام کریں۔ کیا آپ جانتے ہیں کہ ان مشینوں کے اندر کیا چیز بیٹھی ہے جو انہیں کام کرنے پر مجبور کرتی ہے؟ وہ ہیں پروسیسرز . وہ فعالیت کے لحاظ سے مائیکرو یا میکرو پروسیسر ہو سکتے ہیں۔ بنیادی پروسیسر عام طور پر ہر گھڑی کے چکر میں ایک ہدایات پر عمل کرتا ہے۔ ان کی پروسیسنگ کی رفتار کو بہتر بنانے کے لیے مشینیں اپنی رفتار کو بہتر بنا سکیں، یہ ہے سپر اسکیلر پروسیسر جس میں پائپ لائننگ الگورتھم ہے تاکہ اسے فی گھڑی دو ہدایات پر عمل کرنے کے قابل بنایا جا سکے۔ یہ سب سے پہلے سیمور کرے کے CDC 6600 نے 1964 میں ایجاد کیا تھا اور بعد میں Tjaden اور Flynn نے 1970 میں اسے بڑھایا تھا۔

پہلا تجارتی سنگل چپ سپر اسکیلر مائکرو پروسیسر MC88100 موٹرولا نے 1988 میں تیار کیا تھا، بعد میں انٹیل نے 1989 میں اس کا ورژن I960CA اور 1990 میں AMD 29000-سیریز 29050 متعارف کرایا۔ موجودہ وقت میں، عام سپر اسکیلر پروسیسر کا استعمال i7 پر انحصار کرتا ہے۔ نیہلیم مائکرو آرکیٹیکچر۔

اگرچہ، سپر اسکیلر کے نفاذ پیچیدگی کو بڑھانے کی طرف بڑھ رہے ہیں۔ ان پروسیسرز کے ڈیزائن سے عام طور پر طریقوں کا ایک سیٹ مراد ہوتا ہے جو کمپیوٹر کے سی پی یو کو اجازت دیتا ہے کہ وہ ایک ہی ترتیب وار پروگرام کو چلاتے ہوئے ہر سائیکل کے لیے اوپر ایک ہدایات کا تھرو پٹ حاصل کر سکے۔ آئیے اس آرٹیکل میں سپر اسکیلر پروسیسر فن تعمیر کو مزید دیکھتے ہیں جو اس کے عملدرآمد کے وقت اور اس کے استعمال کو کم کرتا ہے۔

سپر اسکیلر پروسیسر کیا ہے؟

ایک قسم کا مائیکرو پروسیسر جو ایک ہی پروسیسر میں انسٹرکشن لیول متوازی کے نام سے جانا جاتا متوازی کی ایک قسم کو لاگو کرنے کے لیے استعمال کیا جاتا ہے تاکہ پروسیسر پر خصوصی عملدرآمد یونٹس کو بیک وقت مختلف ہدایات بھیج کر CLK سائیکل کے دوران ایک سے زیادہ ہدایات پر عمل کیا جا سکے۔ اے اسکیلر پروسیسر ہر گھڑی کے چکر کے لیے واحد ہدایات پر عمل کرتا ہے۔ ایک سپر اسکیلر پروسیسر گھڑی کے دوران ایک سے زیادہ ہدایات پر عمل کر سکتا ہے۔

سپر اسکیلر کی ڈیزائن تکنیکوں میں عام طور پر متوازی رجسٹر کا نام تبدیل کرنا، متوازی انسٹرکشن ڈی کوڈنگ، آؤٹ آف آرڈر ایگزیکیوشن اور قیاس آرائی پر مشتمل ہے۔ لہذا یہ طریقے عام طور پر مائیکرو پروسیسرز کے موجودہ ڈیزائن کے اندر پائپ لائننگ، برانچ پریڈیکشن، کیشنگ اور ملٹی کور جیسے تکمیلی ڈیزائن کے طریقوں کے ساتھ استعمال ہوتے ہیں۔

خصوصیات

سپر اسکیلر پروسیسرز کی خصوصیات میں درج ذیل شامل ہیں۔

• سپر اسکیلر فن تعمیر ایک متوازی کمپیوٹنگ تکنیک ہے جو مختلف پروسیسرز میں استعمال ہوتی ہے۔
• ایک سپر اسکیلر کمپیوٹر میں، سی پی یو گھڑی کے چکر کے دوران متعدد ہدایات کو بیک وقت انجام دینے کے لیے کئی ہدایات کی پائپ لائنوں کا انتظام کرتا ہے۔
• سپر اسکیلر فن تعمیر میں سبھی شامل ہیں۔ پائپ لائننگ خصوصیات اگرچہ ایک ہی پائپ لائن کے اندر کئی ہدایات بیک وقت عمل میں آتی ہیں۔
• سپر اسکیلر ڈیزائن کے طریقوں میں عام طور پر متوازی رجسٹر کا نام تبدیل کرنا، متوازی انسٹرکشن ڈی کوڈنگ، قیاس آرائی پر عمل درآمد اور آؤٹ آف آرڈر ایگزیکیوشن شامل ہیں۔ لہذا، یہ طریقے عام طور پر حالیہ مائیکرو پروسیسر ڈیزائنوں میں کیشنگ، پائپ لائننگ، برانچ پریڈیکشن اور ملٹی کور جیسے تکمیلی ڈیزائن کے طریقوں کے ساتھ استعمال ہوتے ہیں۔

سپر اسکیلر پروسیسر آرکیٹیکچر

ہم جانتے ہیں کہ ایک سپر اسکیلر پروسیسر ایک سی پی یو ہے جو ہر CLK سائیکل کے لیے ایک سے اوپر ہدایات پر عمل کرتا ہے کیونکہ پروسیسنگ کی رفتار کو ہر سیکنڈ کے لیے CLK سائیکلوں میں آسانی سے ماپا جاتا ہے۔ اسکیلر پروسیسر کے مقابلے میں یہ پروسیسر بہت تیز ہے۔

سپر اسکیلر پروسیسر آرکیٹیکچر میں بنیادی طور پر متوازی عمل آوری یونٹس شامل ہوتے ہیں جہاں یہ یونٹ ہدایات کو بیک وقت نافذ کر سکتے ہیں۔ تو سب سے پہلے، اس متوازی فن تعمیر کو ایک RISC پروسیسر کے اندر لاگو کیا گیا تھا جو حسابات کو انجام دینے کے لیے سادہ اور مختصر ہدایات کا استعمال کرتا ہے۔ تو عام طور پر، ان کی سپر اسکالر صلاحیتوں کی وجہ سے خطرہ پروسیسرز نے CISC پروسیسرز کے مقابلے میں بہتر کارکردگی کا مظاہرہ کیا ہے جو ایک ہی میگا ہرٹز پر چلتے ہیں۔ لیکن، سب سے زیادہ CISC اب انٹیل پینٹیم جیسے پروسیسرز میں کچھ RISC فن تعمیر بھی شامل ہے، جو انہیں متوازی طور پر ہدایات پر عمل کرنے کی اجازت دیتا ہے۔

سپر اسکیلر پروسیسر ہر پروسیسنگ مرحلے میں متوازی طور پر مختلف ہدایات کو سنبھالنے کے لیے کئی پروسیسنگ یونٹس سے لیس ہے۔ مندرجہ بالا فن تعمیر کا استعمال کرتے ہوئے، ایک ہی گھڑی کے چکر میں متعدد ہدایات پر عمل درآمد شروع ہوتا ہے۔ یہ پروسیسرز ہر ایک سائیکل کے لیے مندرجہ بالا ایک ہدایات کا ایک انسٹرکشن ایگزیکیوشن آؤٹ پٹ حاصل کرنے کے قابل ہیں۔

مندرجہ بالا آرکیٹیکچر ڈایاگرام میں، ایک پروسیسر کو دو ایگزیکیوشن یونٹس کے ساتھ استعمال کیا جاتا ہے جہاں ایک انٹیجر کے لیے استعمال ہوتا ہے اور دوسرا فلوٹنگ پوائنٹ کے آپریشنز کے لیے استعمال ہوتا ہے۔ انسٹرکشن فیچ یونٹ (IFU) ایک وقت میں ہدایات پڑھنے کے قابل ہے اور انہیں ہدایات کی قطار میں اسٹور کرتا ہے۔ ہر چکر میں، ڈسپیچ یونٹ قطار کے سامنے سے 2 ہدایات تک لاتا اور ڈی کوڈ کرتا ہے۔ اگر ایک واحد عدد، واحد فلوٹنگ پوائنٹ ہدایات اور کوئی خطرہ نہیں ہے، تو دونوں ہدایات ایک ہی گھڑی کے چکر میں بھیجی جاتی ہیں۔

پائپ لائننگ

پائپ لائننگ کاموں کو ذیلی مراحل میں تقسیم کرنے اور مختلف پروسیسر حصوں میں ان کو انجام دینے کا طریقہ کار ہے۔ درج ذیل سپر اسکیلر پائپ لائن میں، فی سائیکل میں زیادہ سے زیادہ 2 ہدایات مکمل کرنے کے لیے ایک وقت میں دو ہدایات حاصل اور بھیجی جا سکتی ہیں۔ اسکیلر پروسیسر اور سپر اسکیلر پروسیسر میں پائپ لائننگ فن تعمیر ذیل میں دکھایا گیا ہے۔

سپر اسکیلر پروسیسر میں ہدایات ترتیب وار انسٹرکشن اسٹریم سے جاری کی جاتی ہیں۔ اسے ہر گھڑی کے چکر کے لیے متعدد ہدایات کی اجازت دینی چاہیے اور CPU کو ہدایات کے درمیان ڈیٹا کے انحصار کے لیے متحرک طور پر چیک کرنا چاہیے۔

نیچے دیے گئے پائپ لائن فن تعمیر میں، F کو حاصل کیا جاتا ہے، D کو ڈی کوڈ کیا جاتا ہے، E کو عمل میں لایا جاتا ہے اور W کو رجسٹر رائٹ بیک کیا جاتا ہے۔ اس پائپ لائن فن تعمیر میں، I1، I2، I3 اور I4 ہدایات ہیں۔

اسکیلر پروسیسر پائپ لائن فن تعمیر میں ایک پائپ لائن اور چار مراحل شامل ہیں بازیافت، ڈی کوڈ، عمل درآمد اور نتیجہ لکھنا۔ سنگل پائپ لائن اسکیلر پروسیسر میں، انسٹرکشن 1 (I1) میں پائپ لائن کام کرتی ہے۔ پہلی گھڑی کی مدت I1 میں یہ بازیافت کرے گا، دوسری گھڑی کی مدت میں یہ ڈی کوڈ کرے گا اور دوسری ہدایات میں، I2 بازیافت کرے گا۔ تیسری گھڑی کی مدت میں تیسری ہدایت I3 حاصل کرے گی، I2 ڈی کوڈ کرے گا اور I1 عمل میں آئے گا۔ چوتھی گھڑی کی مدت میں، I4 بازیافت کرے گا، I3 ڈی کوڈ کرے گا، I2 عمل کرے گا اور I1 میموری میں لکھے گا۔ لہذا، سات گھڑیوں کے وقفوں میں، یہ ایک پائپ لائن میں 4 ہدایات پر عمل کرے گا۔

سپر اسکیلر پروسیسر پائپ لائن آرکیٹیکچر میں دو پائپ لائنز اور چار مراحل شامل ہیں بازیافت، ڈی کوڈ، عمل درآمد اور نتیجہ لکھنا۔ یہ ایک 2 ایشو والا سپر اسکیلر پروسیسر ہے جس کا مطلب ہے کہ ایک وقت میں دو ہدایات لائیں گی، ڈی کوڈ کریں گی، عمل کریں گی اور نتیجہ لکھیں گے۔ دو ہدایات I1 اور I2 ایک وقت میں ہر گھڑی کی مدت میں بازیافت، ڈی کوڈ، عمل درآمد اور لکھیں گی۔ اس کے ساتھ ساتھ اگلی گھڑی کے دورانیے میں، باقی دو ہدایات I3 اور I4 ایک وقت میں بازیافت کریں گے، ڈی کوڈ کریں گے، عمل کریں گے اور واپس لکھیں گے۔ لہذا، گھڑی کے پانچ ادوار میں، یہ ایک پائپ لائن میں 4 ہدایات پر عمل کرے گا۔

اس طرح، ایک اسکیلر پروسیسر فی گھڑی سائیکل واحد ہدایت جاری کرتا ہے اور فی گھڑی سائیکل ایک پائپ لائن مرحلہ انجام دیتا ہے جبکہ ایک سپر اسکیلر پروسیسر، فی گھڑی سائیکل دو ہدایات جاری کرتا ہے اور یہ ہر مرحلے کی دو مثالوں کو متوازی طور پر انجام دیتا ہے۔ لہذا اسکیلر پروسیسر میں ہدایات پر عمل درآمد میں زیادہ وقت لگتا ہے جبکہ سپر اسکیلر میں ہدایات پر عمل درآمد میں کم وقت لگتا ہے۔ .

سپر اسکیلر پروسیسرز کی اقسام

یہ مارکیٹ میں دستیاب مختلف قسم کے سپر اسکیلر پروسیسرز ہیں جن پر ذیل میں تبادلہ خیال کیا گیا ہے۔

انٹیل کور i7 پروسیسر

Intel core i7 ایک سپر اسکیلر پروسیسر ہے جو کہ Nehalem micro-architecture پر مبنی ہے۔ کور i7 ڈیزائن میں، مختلف پروسیسر کور ہوتے ہیں جہاں ہر پروسیسر کور ایک سپر اسکیلر پروسیسر ہوتا ہے۔ یہ انٹیل پروسیسر کا تیز ترین ورژن ہے جو صارف کے آخر میں کمپیوٹرز اور آلات میں استعمال ہوتا ہے۔ Intel Corei5 کی طرح یہ پروسیسر انٹیل ٹربو بوسٹ ٹیکنالوجی میں سرایت شدہ ہے۔ یہ پروسیسر 2 سے 6 اقسام میں قابل رسائی ہے جو ایک ہی وقت میں 12 مختلف تھریڈز کو سپورٹ کرتے ہیں۔

انٹیل پینٹیم پروسیسر

انٹیل پینٹیم پروسیسر سپر اسکیلر پائپ لائن فن تعمیر کا مطلب ہے کہ سی پی یو ہر سائیکل کے لیے کم از کم دو یا اس سے اوپر کی ہدایات پر عمل کرتا ہے۔ یہ پروسیسر پرسنل کمپیوٹرز میں بڑے پیمانے پر استعمال ہوتا ہے۔ Intel Pentium پروسیسر کے آلات عام طور پر آن لائن استعمال، کلاؤڈ کمپیوٹنگ، اور تعاون کے لیے بنائے جاتے ہیں۔ لہذا یہ پروسیسر مضبوط مقامی کارکردگی اور موثر آن لائن تعاملات فراہم کرنے کے لیے ٹیبلٹس اور Chromebooks کے لیے بالکل کام کرتا ہے۔

IBM پاور PC601

سپر اسکیلر پروسیسر جیسا کہ IBM power PC601 RISC مائیکرو پروسیسرز کے PowerPC کے خاندان سے ہے۔ یہ پروسیسر ہر گھڑی کے لیے تین ہدایات اور 3 ایگزیکیوشن یونٹس میں سے ہر ایک کے لیے ایک ہدایات جاری کرنے کے ساتھ ساتھ ریٹائر کرنے کی صلاحیت رکھتا ہے۔ بہتر کارکردگی کے لیے ہدایات بالکل ٹھیک نہیں ہیں۔ لیکن، PC601 عملدرآمد کو ترتیب سے ابھرے گا۔

پاور PC601 پروسیسر 32 بٹ منطقی ایڈریس، 8، 16 اور 32 بٹس انٹیجر ڈیٹا کی اقسام اور 32 اور 64 بٹس فلوٹنگ پوائنٹ ڈیٹا کی اقسام فراہم کرتا ہے۔ 64 بٹ پاور پی سی کے نفاذ کے لیے، اس پروسیسر کا فن تعمیر 64 بٹ پر مبنی انٹیجر ڈیٹا کی اقسام، ایڈریسنگ اور 64 بٹ پر مبنی فن تعمیر کو مکمل کرنے کے لیے ضروری دیگر خصوصیات فراہم کرتا ہے۔

ایم سی 88110

MC 88110 ایک سنگل چپ، دوسری نسل کا RISC مائیکرو پروسیسر ہے جو انسٹرکشن لیول کی ہم آہنگی کا فائدہ اٹھانے کے لیے جدید طریقے استعمال کرتا ہے۔ یہ پروسیسر زیادہ سے زیادہ کارکردگی کے حصول کے لیے متعدد آن-چِپ کیشز، سپر اسکیلر انسٹرکشن ایشوز، محدود ڈائنامک انسٹرکشن کی ریکارڈنگ، اور قیاس آرائی پر عمل درآمد کرتا ہے اس لیے اسے مثالی طور پر کم لاگت والے PCs اور ورک سٹیشنز میں مرکزی پروسیسر کے طور پر استعمال کیا جاتا ہے۔

انٹیل آئی 960

Intel i960 ایک سپر اسکیلر پروسیسر ہے جو ہر پروسیسر کلاک سائیکل کے دوران مختلف آزاد ہدایات پر عمل درآمد اور بھیجنے کی صلاحیت رکھتا ہے۔ یہ ایک RISC پر مبنی مائکرو پروسیسر ہے جو 1990 کی دہائی کے اوائل میں ایمبیڈڈ مائیکرو کنٹرولر کے طور پر بہت مشہور ہوا۔ یہ پروسیسر چند فوجی ایپلی کیشنز میں مسلسل استعمال ہوتا ہے۔

MIPS R

MIPS R ایک متحرک اور سپر اسکیلر مائکرو پروسیسر ہے جو 64-bit MIPS 4-انسٹرکشن سیٹ آرکیٹیکچر کو انجام دینے کے لیے استعمال ہوتا ہے۔ یہ پروسیسر ہر ایک سائیکل کے لیے 4 ہدایات لاتا اور ڈی کوڈ کرتا ہے اور انہیں پانچ مکمل طور پر پائپ لائن اور کم لیٹنسی ایگزیکیوشن یونٹس کو جاری کرتا ہے۔ یہ پروسیسر خاص طور پر ہائی پرفارمنس، بڑی اور حقیقی دنیا کی ایپلی کیشنز کے لیے ڈیزائن کیا گیا ہے جس میں میموری کی کمی ہے۔ تخمینی عمل درآمد کے ساتھ، یہ صرف میموری ایڈریس کا حساب لگاتا ہے۔ MIPS پروسیسرز بنیادی طور پر مختلف آلات جیسے Nintendo Gamecube، SGI کی پروڈکٹ لائن، Sony Playstation 2، PSP اور Cisco راؤٹرز میں استعمال ہوتے ہیں۔

فرق B/W سپر اسکیلر بمقابلہ پائپ لائننگ

سپر اسکیلر اور پائپ لائننگ کے درمیان فرق ذیل میں زیر بحث آیا ہے۔

خصوصیات

دی سپر اسکیلر پروسیسر کی خصوصیات مندرجہ ذیل شامل ہیں.

• ایک سپر اسکیلر پروسیسر ایک سپر پائپ لائن والا ماڈل ہے جہاں بغیر کسی انتظار کی صورتحال کے محض آزاد ہدایات کو سلسلہ وار انجام دیا جاتا ہے۔
• ایک سپر اسکیلر پروسیسر آنے والی ہدایات کے سلسلے کی متعدد ہدایات کو ایک وقت میں لاتا اور ڈی کوڈ کرتا ہے۔
• سپر اسکیلر پروسیسرز کا فن تعمیر ہدایات کی سطح کے متوازی صلاحیت کا فائدہ اٹھاتا ہے۔
• سپر اسکیلر پروسیسرز بنیادی طور پر ہر سائیکل کے لیے مندرجہ بالا واحد ہدایات جاری کرتے ہیں۔
• نمبر جاری کردہ ہدایات کا انحصار بنیادی طور پر ہدایات کے سلسلے میں دی گئی ہدایات پر ہوتا ہے۔
• پروسیسر کے فن تعمیر کو بہتر طریقے سے فٹ کرنے کے لیے ہدایات کو اکثر دوبارہ ترتیب دیا جاتا ہے۔
• سپر اسکیلر طریقہ عام طور پر کچھ شناخت کرنے والی خصوصیات سے وابستہ ہوتا ہے۔ ہدایات عام طور پر ترتیب وار ہدایات کے سلسلے سے جاری کی جاتی ہیں۔
• CPU رن ٹائم پر ہدایات کے درمیان ڈیٹا کے انحصار کے لیے متحرک طور پر چیک کرتا ہے۔
• CPU ہر گھڑی کے چکر کے لیے متعدد ہدایات پر عمل کرتا ہے۔

فائدے اور نقصانات

دی سپر اسکیلر پروسیسر کے فوائد مندرجہ ذیل شامل ہیں.

• ایک سپر اسکیلر پروسیسر ایک ہی پروسیسر میں ہدایات کی سطح کے متوازی عمل کو نافذ کرتا ہے۔
• یہ پروسیسرز صرف کسی بھی انسٹرکشن سیٹ کو انجام دینے کے لیے بنائے گئے ہیں۔
• سپر اسکیلر پروسیسر بشمول آؤٹ آف آرڈر ایگزیکیوشن برانچ کی پیشن گوئی اور قیاس آرائی پر عملدرآمد کئی بنیادی بلاکس اور لوپ تکرار کے اوپر آسانی سے متوازی تلاش کرسکتا ہے۔

دی سپر اسکیلر پروسیسر کے نقصانات مندرجہ ذیل شامل ہیں.

• پاور کے استعمال کی وجہ سے چھوٹے ایمبیڈڈ سسٹمز میں سپر اسکیلر پروسیسر زیادہ استعمال نہیں ہوتے ہیں۔
• شیڈولنگ کے ساتھ مسئلہ اس فن تعمیر میں ہو سکتا ہے.
• سپر اسکیلر پروسیسر ہارڈ ویئر کی ڈیزائننگ میں پیچیدگی کی سطح کو بڑھاتا ہے۔
• اس پروسیسر میں ہدایات صرف ان کے ترتیب وار پروگرام آرڈر کی بنیاد پر حاصل کی جاتی ہیں لیکن یہ عمل درآمد کا بہترین آرڈر نہیں ہے۔

سپر اسکیلر پروسیسر ایپلی کیشنز

سپر اسکیلر پروسیسر کی ایپلی کیشنز میں درج ذیل شامل ہیں۔

• سپر اسکیلر ایگزیکیوشن اکثر لیپ ٹاپ یا ڈیسک ٹاپ کے ذریعہ استعمال ہوتا ہے۔ یہ پروسیسر صرف اس پروگرام کو اسکین کرتا ہے تاکہ ان ہدایات کے سیٹ کو دریافت کیا جا سکے جنہیں ایک کے طور پر عمل میں لایا جا سکتا ہے۔
• ایک سپر اسکیلر پروسیسر میں مختلف ڈیٹا پاتھ ہارڈویئر کاپیاں شامل ہوتی ہیں جو ایک ساتھ مختلف ہدایات پر عمل درآمد کرتی ہیں۔
• یہ پروسیسر بنیادی طور پر ایک ہی ترتیب وار پروگرام کے لیے ہر گھڑی کے چکر کے لیے اوپر کی ایک ہدایات پر عمل درآمد کی رفتار پیدا کرنے کے لیے ڈیزائن کیا گیا ہے۔

اس طرح، یہ سب کے بارے میں ہے سپر اسکیلر پروسیسر کا ایک جائزہ - فن تعمیر، اقسام، اور ایپلی کیشنز۔ یہاں آپ کے لیے ایک سوال ہے، اسکیلر پروسیسر کیا ہے؟