Boru hattı (bilgisayar)

Boru hattı yöntemi bilgisayar mimarisi ve diğer sayısal ürünlerin tasarımında başarımı artırmak için uygulanan bir yöntemdir. Komutları, boru hattı yöntemi ile işleyip daha kısa süre içinde bitmesini sağlar. Asıl amacı saat sıklığını artırarak başarımı artırmaktır. Farklı kaynakları aynı anda, farklı işler tarafından kullanarak çalışır.

Tek çekirdekli işlemcilerde, bir komut bitince diğer komut çalışmaya başlar. Her saat vuruşunda bir komut girer, bir komut çıkar. Yani buyruk başına düşen çevrim sayısı 1’dir. Boru hattı yöntemi ise çoklu buyrukların örtüşmeli yürütümüdür. Birbirini bağlayan komutlar haricinde bir buyruğun işlemi gerçekleştirilirken diğer komut işleme girebilir. Günümüzde daha hızlı işlemci tasarımında kullanılan önemli bir yöntemdir. Boru hattı işlemcinin komut döngü süresini azaltır bundan dolayı da birim döngü zamanına düşen komut sayısı artar.

Boru hattında bütün aşamalardan geçmek gerekir. Tek bir komutun işini değil toplu komutların işlerini hızlandırır. Kısacası toplamda üretilen işi artırır. Olası hızlanma boru hattındaki aşama sayısına bağlı olarak değişir.

Komutların bağımlılıklarına göre hızlanma yavaşlar. Komutlar arasındaki bağımlılık gecikme hızını artırır. Bundan dolayı; komut bağımlılıklarının az olması, gecikmeyi azaltır ve hızlanmayı artırır.

İşlemci tek bir komut zamanı yürütür. Çok bölümlülük hata ve problem kodları aynı zamanda işletilirler. Sonuç olarak tasarım basitleşir ve ucuza mal olur.

Boru hattı kullanılmayan bir sistemde komut gizliliği, kullanılan sisteme göre daha azdır. Tabi bunun olması için boru hattı kullanılan sisteme daha fazla flip-flop eklemek gereklidir.

Boru hattı kullanılmamış bir sistemin sabit bir komut genişliği bulunur. Boru hattı kullanılan sistemin başarımını önceden bilmek çok güçtür ve farklı programlarda, farklı komut boylarında farklılık gösterebilir.

Birçok modern işlemci saat vuruşlarıyla yürütülür. İşlemciler mantık ve flip-floplardan oluşmaktadır. Saat vuruşu geldiğinde, flip-floplar yeni değerlerini alırlar sonra kodları çözüp yapmaları gereken şeyi yapmaları için belli bir süre gerekir. Bir sonraki saat vuruşu geldiğinde, flip-floplar tekrar kendi değerlerini alırlar ve bu böyle devam eder. Mantık yürütülmesini ufak bölümlere bölüp aralarına flip-floplar koyarsak, veri çıkışımızdaki gecikme azalmış olur. Saat vuruş zamanını azalma nedeni de budur.

Dallanma olan yerlerde, koşullar belli olmadan karar verilirse gerçekleşir. Dallanma kararı verilmeden önce yürütüm durdurulur ve karar belli olana kadar beklenir. Bir başka çözüm yolu da; kararı tahmin edip ona göre işlemi devam ettirmek, eğer karar hatalıysa geri dönüp tekrar denemek (Dallanma öngörüsü). Dallanma komutları geldiğinde işlemcinin nereye gideceğini bilmesi gerekir.

Boru hattı uygulamasında her işlem birimi aynı aşamada sadece bir kere kullanılır (buyruk başına) ve her işlem birimi tüm buyruklar için aynı aşamada kullanılmalılar. Boru hattında yazmaç türü ve yükleme buyruklarında çakışma ya da yapı sorunu olursa, mesela, iki ayrı buyruk yazmaç öbeğine aynı anda yazmaya çalışıyorsa(sadece bir tane yazmaç yolu vardır) boru hattına boşluk eklenebilir ya da sonucun yazılması bir çevrim geciktirilebilir. Boşluk konması hem karmaşıklık hem de veri açısından iyi bir yol değildir. Onun için genellikle bir çevrim geciktirme yoluna başvurulur. Geciktirilen işlem sırasında bir işlem yapılmaz.

Tablodaki R’ler yazmaçları göstermektedir, işlemcinin içindeki geçici bellekte tutulurlar, böylece çabuk erişim sağlanır. Sonuç basittir toplanıp bulunan sonuç C’nin adresinde tutulur, bu süre boru hattı kullanan ve kullanmayan sistemler için aynıdır.

Boru hattı yönteminin bu toplama komutu örneğindeki avantajı için “kısa yoldan yapılmış” olmasıdır. Burada bellekten veriyi alma görevi döngünündür ve uzun süre kullanımda olmayacağı için az kullanılan bölümde saklanır. Bu durumda boru hattı kontrolcüsü işine yarayacak olan bir sonraki bilgiyi bellekten alıp getirir ve yazmaçlarda tutar. Toplama komutu yerine getirildiği sırada gereken bir sonraki bilgi bellekten alınıp getirilmiş ve hazırda bekletiliyor olması gerekir. Burada programın başarımı büyük ölçüde artar çünkü işlemcinin bileşenleri boş kalmaz.

Bu küçük adımlar boru hattı adımı olarak adlandırılır, yukarıdaki örnekte boru hattı yönteminin 3 ana adımı vardır, bunlar; yükleyici, toplayıcı ve depolayıcıdır.

Günümüzde her mikroişlemci en az iki adımdan oluşan boru hattı kullanmaktadır (Atmel AVR ve PIC mikrokontrolör iki adımlı boru hattı içermektedir).

Depolama kısmında tutulan yükleme komutu (değeri 40) A yazmacında tutulur. Bu sırada hareket komutu işletilir. Hareket komutu, A’nın ve B’nin içerikleri işlemeye geçmeden önce yükleme komutunun işini bitirmesini beklemesi gerekmektedir.

Ve bu işlem böyle devam eder. Bazen işletilen komut bir önceki komutun sonucuna bağlıdır. Eğer birden aynı adresi gösteren birden çok komut varsa ve bunların ikisi birden yazma ya da okuma komutuysa, normal program işleyişi sırasıyla yapılmasa risk meydana gelebilir. Böyle bir riskin gerçekleşmemesi için yapılan birçok teknik vardır.

Birçok boru hattı tasarımı 7, 10, 31 bölümden oluşur (Intel Pentium 4 gibi). Xelerator X10q ise binlerce bölümden oluşan boru hattına sahiptir. Eğer işletilen program çok bölümden oluşursa, boru hattı kullanmak soruna yol açabilir, çok bölüm oluşundan dolayı çıkan bu sorunu ise “bölüm bildirici” (ing.: branch predicting) ile hafifletilebilir. Bölüm bildirici problemin kötüye gitmesini kendi engelleyebilir. Güncel uygulamalarda, programlar daha az bölümden oluşan komutlar yazarlar böylece uzun boru hatları program hızını arttırmak için daha idealdir, bu boru hatları komuta göre döngü zamanı verirler. Çok bölümlülük sabitlendiğinde, Ofis programları gibi programlar, boru hattından kazanılan kazancı azaltırlar. Çök bölümlülükten dolayı işlemci bir sonraki bilginin adresinin nerede olduğunu bilemiyor ve işletilen komutunun bitmesini beklemesi gerekiyor. İşletilen komut bittiğinde boru hattı ile bir sonraki bilgi işlemciye iletilir ve işlemci yapması gereken şeyi yapar. Komut, boru hattı kullanılmasından dolayı işlemci yüklemeyi hemen gerçekleştiremez. Koddaki güncelleştirmeler şu andaki işletim yerini etkilemez çünkü işletim için zaten belli bir alan ayrılmıştır (ing.: Prefetch Input Queue). Komut önbellekleri bu durumu daha kötü hala getirirler. Bu sadece “kendi programlanabilen” programlarla ilgilidir, işletim sistemi gibi.

Boru hattı ilk olarak FORD firmasında, Henry Ford tarafından kullanılmıştır. Eski zamanlarda bu kadar teknolojik araç/gereç olmadığı için günde 1 araba üretilmekteydi. Bu da hem üretimi hem de tüketimi sınırlıyordu. Henry Ford üretim bantlarını geliştirdi. Bu sayede her üretim bandında arabanın farklı bir kısmı yapılacaktı ve hem başarım artacak hem de işlem daha hızlı yürüyecekti. Örneğin; bantta karbüratör takılıyorsa diğer bantlarda tekerlekler, fren sistemi… vb. parçalar takılacaktı. Bir arabanın karbüratörü takılıp işi bitince diğer banda giderken, başka bir araba karbüratör takımına girecek şekilde sistem işlemiştir.