أنابيب تجزئة تطبيق التعليمات ( pipelines ‏):

يمكن حتى ننظر إلى معالجة تعليمة كسلسلة خطوات مستقلة تنفذها وحدات جزئية مستقلة من وحدة التحكم من (un إلى um) ‏وتستطيع هذه الوحدات الجزئية كونها مستقلة حتى تتزاحم على العمل بنفس الوقت ولن يعود ضروريا حتى تنتظر معالجة تعليمة ما اكتمال معالجة التعليمة السابقة لها وبالتالي ء في أية لحظة ستلاحظ حتى وحدة التحكم تحوي عددا من التعليمات جميع منها في إحدى مراحل معالجتها. ويمكن تشبيه الوضع بوحدة تصنيع حيث تتواجد عدة واحدات من المنتج على خطوط تجميع في مواقع العمل المتنوعة وكل من هذه الوحدات في إحدى مراحل تجميعها. إذا الشروط الوحيدة الواجب فرضها هي:

‏1-  يجب حتى تمر جميع تعليمة عبر جميع المراحل أوالوحدات الجزئية ذات الصلة.
2- تعالج لحل وحدة جزئية التعليمات دون خرق التسلسل الأصلي. 

‏يطلق على هذه الصيغة اسم نظام أنابيب تجزئة التطبيق حيث تعالج التعليمات كما لوأنها تنتقل عبر أنابيب متصلة وتؤدي هذه الصيغة إلى زيادة هامة في سرعة عمل الآلة. نشير هنا إلى حتى الزمن الكلي اللازم لتطبيق تعليمة واحدة يبقى كما هوإلا حتى بمجموع الأزمنة التي تستغرقها محطات المعالجة المتنوعة يختصر (بالتحاكي مع تعبير محطات العمل على خط تجميع).

سندعوT ‏زمن الحلقة الكبرى وتحتاج جميع محطة إلى زمن أصغر لإتمام حصتها من عملية المعالجة وسندعوهذا الزمن t ‏زمن الحلقة الصغرى لكل محطة. وبما حتى جميع محطة تنجز حصتها من عملية معالجة تعليمة واحدة في حلقة صغرى واحدة فإن أنبوب التجزئة ككل سيعالج التعليمات بمعدل تعليمة واحدة في جميع حلقة صغرى، ولولا استخدام أنابيب التجزئة لكان هذا المعدل يساوي تعليمة واحدة في جميع حلقة كبرى.

2- آلية عمل أنابيب التجزئة:

لفهم آلية عمل أنابيب التجزئة سنلقي الضوء على كيفية تطبيق سلسلة تعليمات بالكيفية التقليدية ثم نبين الفرق بينها وبين تطبيق السلسلة نفسها باستخدام أنابيب التجزئة.

‏يتطلب تطبيق أية تعليمة تطبيق سلسلة عمليات صغرية m1…..mn (انظر الشكل التالي) وتختلف هذه السلسلة من تعليمة لأخرى. في نمط التطبيق التقليدي يجب إتمام السلسلة بأكملها قبل البدء بسلسلة العمليات الخاصة بالتعليمة التالية، ويمكن لذلك تحقيق دارات التحكم اللازمة بطريقة مباشرة. تعهد حالة النظام بعدد التعليمات المنجزة (أي بعدد محتويات المسجل CIAC ‏) وبالعملية الصغرية التي يتم تطبيقها حاليا (أي محتويات مسجل عنوان العملية الصغرية الحالية CMIAR ‏( Current Micro Instruction Address register ‏).

عند استخدام أنابيب التجزئة تقسم هذه السلسلة المؤلفة من n عملية صغرية إلى k سلسلة جزئية s1,……,sk قابلة للتطبيق بشكل متزامن (يكون ذلك ممكنا إذا كانت المصادر التي تتطلبها هذه المصادر الجزئية متنافية فيما بينها) تنفذ السلاسل الجزئية في محطات معالجة مستقلة p1 ….. pk في أي لحظة قد تكون السلاسل الجزئية كلها تحت التطبيق في المحطات وتعمل جميع محطة على تعليمة مختلفة .

لنتساءل ما هي المكونات الداراتية اللازمة لكل محطة عمل؟

تحتاج جميع محطة إلى ذوا كر خزن مؤقتة ( buffer ‏) لاحتواء مدخلاتها، ويتصل خرج المحطة بدخل المحطة التالية. يمكننا حتى نفترض حتى العمليات في المحطات المتنوعة تستغرق أزمنة متساوية وهذا الشرط هام كما سنرى قريبا. ونستخدم وحدة تحكم مشهجرة للتحكم بالعمليات المتزامنة في جميع المحطات. إلا أنه يجب الانتباه إلى حتى عدد العمليات الصغرية قد يتغير من محطة لأخرى والمحطات التي لديها عدد أقل من العمليات الصغرية ستنتظر لفترة من الوقت تنفذ عمليات بلا فائدة ( null operation).

تفترض الدراسة السابقة ومخطط الشكل التالي حتى لكل محطة مصادر عتادية خاصة بها (ذواكر خزن مؤقت أدوات معالجة منطقية ... الخ)لكن ليس بالضرورة حتى يتحقق هذا الفرض دوما.يمكن مثلا حتى تستخدم جميع من السلسلتين الجزئيتين s1 وs4 الدارات نفسها، وبالتالي يجب إيجاد طريقة لمنع تنشيط السلسلتين بنفس الوقت. بشكل عام يؤدي ذلك إلى فرض قيود تحد من مدى التوازي الذي يمكن تحقيقه بواسطة أنابيب التجزئة.

نشير أخيرا إلى حتى بعض المحطات قد لا يلزم تشغيلها بالنسبة لبعض التعليمات وهذا سهل التحقيق لكن باللقاء قد يلزم تشغيل بعض المحطات بطرق مختلفة وفقا للتعليمة المنفذة لذلك من الضروري حتى تمتلك هذه المحطات معلومات بخصوص نمط التعليمة التي تعالجها في جميع لحظة.

‏نصادف عادة في الأنظمة الحاسوبية ثلاثة أنماط مختلفة من أنابيب التجزئة:

يخص النمط الأول: عمليات جلب التعليمات والمعطيات وتحزين النتائج وهويؤدي نفس الوظائف بالنسبة لطيف واسع من التعليمات .

أما النمط الثاني: فيستخدم لتحقيق عمليات محددة مثل ضرب الأعداد الممثلة بالفاصلة العائمة.

كما يمكن حتى نمجد نمطا ثالثا متعددالوظائف: كأن يساهم في جمع أوجداء الأعداد الممثلة بطريقة الفاصلة العائمة .

3- أثر أنابيب التجزئة في زيادة السرعة :

نظرا للتعقيد والكلفة الإضافية التي تتطلبها تقنية أنابيب التجزئة والمعالجة المتوازية لا بد لنا حتى نتساءل إلى أي مدى نستطيع زيادة السرعة عند استخدام هذه التقنيات. لنفترض لدينا سلسلة مباشرة من L ‏ تعليمة تنفذ عبر أنبوب تجزئة مؤلف من n ‏محطة عندئذ تقسم جميع عملية إلى n ‏عملية وسنفترض حتى الزمن الوسطي لإنجاز العملية هوt ‏لنأخذ أولا الحالة التي يتم فيها تطبيق العملية بدون تجزئة.

الزمن اللازم لتطبيق تعليمة واحدة في السلسلة = nt ‏.

الزمن اللي اللازم لتطبيق سلسلة التعليمات = nt)L ‏).

‏لنقارن هذه الحالة مع الحالة التي تجزأ فيها العملية حيث ينفذ الأنبوب L ‏عملية. عندئذ يعتمد الزمن الكلي للحساب على عاملين:

1- زمن الإعداد (أي الزمن اللازم لملء الأنبوب في البداية). 2 - زمن الحساب (الزمن اللازم لإنجاز العدد المطلوب من الحلقات لسلسلة العمليات المحددة). عندئذقد يكون: ‏الزمن الكلي اللازم لتهيئة الأنبوب وإنجاز التعليمة الأولى = nt ‏. ‏أما بالنسبة للتعليمات التالية، فيحتاج تطبيق جميع تعليمة زمنا إضافيا t الزمن اللازم لتطبيق ( L-1 ‏) تعليمة متبقية = L-1)t ‏) ‏ويكون الزمن الكلي = n+L-1)t ‏) وتكون عندئذ نسبة الكسب في السرعة عند استخدام أنبوب التجزئة = (nL)/(n+L-1) ‏نلاحظ حتى هذه النسبة تقترب من n ‏من أجل قيم كبيرة لـ L ‏. ‏نستنتج من الدراسة السابقة حتى استخدام أنابيب تجزئة التعليمات يسمح بتخفيض زمن الحساب بشكل كبير, إلا أننا وبهدف التبسيط افترضنا حتى جميع المحطات تستغرق الزمن نفسه لمعالجة عملياتها ولكي تكون دراستنا واقعية أكثر يجب حتى نأخذ بعين الاعتبار احتمال حتىقد يكون لكل محطة زمن معالجة مختلف عن أزمنة باقي المحطات.

4- الأنابيب متعددة الوظائف: Multifunction Pipelines

يمكن حتى يصم أنبوب التجزئة لينجز وظيفة وحيدة (جمع، ضرب، إزاحة) أولينجز عدة وظائف، وفي هذه الحالة لا بد من استخدام وحدة تحكم (مبرمجة صغريا مثلا) للسيطرة على عمل الأنبوب. ونقول عن الأنبوب متعدد الوظائف أنه سكوني إذا كان تبديل وظيفته يحتاج إفراغ محطاته كلها وإعادة ملئها من حديث ونقول إنه ديناميكي إذا لم يكن ذلك ضروريا طبعا، من الأبسط استخدام الأنبوب نفسه لتحقيق وظائف متشابهة، لنستعرض فيما يلي المراحل اللازمة لعمليتي الجمع والضرب المتشابهتين بشكل مجمع.

ملاحظة: ‏يشير الرمز (*) بجانب اسم العملية إلى تكرار هذه ‏العملية لعدد من المرات.

انظر أيضاً

• Throughput
• Parallelism
• Instruction pipeline
  • Classic RISC pipeline
• Graphics pipeline
• Pipeline (software)
  • Pipeline (Unix)
  • Hartmann pipeline for VM
  • BatchPipes for MVS
• Geometry pipelines
• XML pipeline

المراجع :

• Software Pipelines An Overview Whitepaper

pipeline

• W3C XProc proposal