Neste post, explicaremos o que é um pipeline de CPU de computador . CPU (uma abreviação da Unidade Central de Processamento) é uma parte importante do computador que funciona como um cérebro. E nós já sabemos disso. Mas o que talvez não saibamos são as técnicas que tornam a CPU eficiente. Uma dessas técnicas é o Pipelining . Se você quiser saber o que é uma CPU com pipeline e como o pipeline melhora o desempenho da CPU, leia este post.
O que é um pipeline de CPU de computador?
Em ciência da computação, uma instrução refere-se ao comando dado por um programa à CPU. Consiste em um código de linguagem de máquina que a CPU entende e executa. Por exemplo, storeé uma instrução usada para comandar a CPU para armazenar informações na RAM. Pipelining é uma técnica usada no projeto de CPUs modernas. Aumenta a taxa de transferência geral de instruções (número de instruções executadas por segundo) dividindo as instruções em subtarefas que a CPU pode processar paralelamente.
O que é uma CPU Pipeline?
Uma CPU com pipeline funciona no conceito de pipeline dividindo o conjunto de instruções em uma série de subtarefas, onde cada subtarefa executa uma única operação. O pipeline tem 2 endpoints: a entrada e a saída . Várias subtarefas são acumuladas entre essas extremidades de forma que a saída de uma subtarefa seja conectada à entrada da próxima subtarefa. Portanto, uma CPU com pipeline executa mais de 1 subtarefa ao mesmo tempo.
Como o Pipelining melhora o desempenho da CPU?
Em geral, a CPU pode quebrar uma instrução nas 4 subtarefas a seguir (em um nível muito básico):
- Fetch – busca a instrução da memória.
- Decodificar – decodificar a instrução.
- Execute – executando a instrução.
- Write – escrever o resultado de volta na memória.
Agora suponha que a CPU tenha uma unidade dedicada para realizar cada uma dessas subtarefas . Enquanto uma unidade está executando uma subtarefa, o restante das unidades da CPU ficará ociosa, sem fazer nada durante o tempo. O pipeline aproveita essas unidades ociosas usando-as para processar outras instruções na fila.
Vamos entender isso com a ajuda de um exemplo. Observe a figura a seguir:
A figura acima explica como um conjunto de 2 instruções é executado em um ambiente de CPU sem pipeline e em um ambiente de CPU com pipeline. Como você pode ver, uma CPU sem pipeline está levando 8 ciclos de clock para executar 2 instruções, enquanto uma CPU com pipeline executa o mesmo conjunto de instruções em apenas 5 ciclos de clock.
Se você olhar de perto, a CPU em pipeline está usando sua unidade 'Fetch' para executar a primeira subtarefa da segunda instrução, enquanto sua unidade 'Decode' já está executando a segunda subtarefa da primeira instrução. Portanto, está utilizando a segunda unidade simultaneamente com a primeira unidade, que de outra forma ficaria ociosa em um ambiente sem pipeline.
Aumentar a velocidade de execução de um determinado conjunto de instruções consequentemente aumenta a velocidade da CPU. E é assim que o pipeline melhora a eficiência de uma CPU. Uma coisa importante a ser observada aqui é que o pipelining não está reduzindo o tempo gasto pela CPU para executar uma instrução. Em vez disso, aumenta o número de instruções que a CPU pode processar simultaneamente. Portanto, aumentar o número de subtarefas não significa realmente que uma CPU com pipeline funcionará mais rápido do que uma CPU sem pipeline. Na verdade, uma CPU sem pipeline pode levar menos tempo para executar uma única instrução do que uma CPU com pipeline, dependendo do número de estágios de pipeline (número de subtarefas) envolvidos.
Espero que a explicação acima esclareça o que é um pipeline de CPU do computador. Se você tiver alguma dúvida, compartilhe-a na seção de comentários abaixo.
O pipelining aumenta o desempenho da sua CPU?
A arquitetura de pipeline aumenta o número de instruções processadas por ciclo de clock da CPU. Ao aumentar a taxa de transferência de instruções, aumenta o desempenho geral da CPU. No entanto, se o conjunto de instruções consiste em instruções complexas (como instruções de desvio), a CPU não saberá antecipadamente onde ler a próxima instrução e deverá esperar até que a instrução atual seja executada completamente. Nesses casos, a arquitetura de pipeline pode falhar em atingir a eficiência da CPU.
O pipeline aumenta o tempo de execução?
O pipeline aumenta o número de instruções em execução concorrente em cada ciclo de clock. Mas não necessariamente melhora o tempo gasto para executar uma única instrução. Por exemplo, o pipelining não é adequado para executar instruções de desvio, o que desvia a execução sequencial para um caminho diferente. Essa desorganização pode interromper o pipeline ou eliminá-lo completamente, a menos que sejam introduzidos métodos adequados para resolver problemas de ramificação.