Σωλήνωση (υπολογιστής)

Από τη Βικιπαίδεια, την ελεύθερη εγκυκλοπαίδεια

Στο σχετικό με τους υπολογιστές εννοιολογικό πλαίσιο καλούμε σωλήνωση (pipeline) ένα σύνολο από στοιχεία, υποσυστήματα μιας διαδικασίας επεξεργασίας δεδομένων τα οποία είναι συνδεδεμένα σε σειρά, έτσι ώστε η έξοδος από ένα στοιχείο να αποτελεί είσοδο για το επόμενο στη σειρά στοιχείο. Τα στοιχεία μιας σωλήνωσης συνήθως εκτελούνται παράλληλα.

Οι βασικές σωληνώσεις σχετικές με υπολογιστές είναι :

η σωλήνωση εντολών όπως η κλασική σωλήνωση RISC,που χρησιμοποιείται στην Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας επιτρέποντας να εκτελούνται παράλληλα τα στάδια διαφορετικών εντολών αυξάνοντας την απόδοση του υπολογιστή. Στην σωλήνωση αυτή τα στοιχεία της επεξεργασίας είναι μέρη του επεξεργαστή που υλοποιούν τα επιμέρους στάδια εκτέλεσης μια εντολής (προσαγωγή, αποκωδικοποίηση, υπολογισμός τελεστών, προσαγωγή τελεστών, εκτέλεση εντολής κτλ.)
η σωλήνωση γραφικών η οποία συναντάται στις περισσότερες κάρτες γραφικών, οι οποίες αποτελούνται από πολλαπλές μονάδες αριθμητικής ή πλήρεις επεξεργαστές που υλοποιούν τα διαφορετικά στάδια λειτουργιών γραφικής απόδοσης(rendering) όπως προοπτική προβολή, ψαλίδισμα παραθύρων, υπολογισμούς φωτισμού κτλ.
η σωλήνωση λογισμικού η οποία αποτελείται από διεργασίες κατάλληλα διαμορφωμένες ώστε το ρεύμα δεδομένων εξόδου της μιας να είναι ρεύμα δεδομένων εξόδου για την επόμενη. Μια κλασική υλοποίηση σωλήνωσης λογισμικού είναι η σωλήνωση (Unix).

[Επεξεργασία] Η έννοια της σωλήνωσης

Η έννοια της σωλήνωσης έχει εφαρμογή στην καθημερινότητά μας. Το κλασικό παράδειγμα είναι η σωλήνωση που πραγματοποιείται σε μια αλυσίδα παραγωγής σε ένα εργοστάσιο. Πχ σε ένα εργοστάσιο αυτοκινήτων υπάρχουν τρία διακριτά στάδια στην γραμμή παραγωγής ( ενσωμάτωση μηχανής(20λεπτά) , ξύλινη εσωτερική επένδυση(5λεπτά), τροχοί(10λεπτά) που γίνονται με κάποια σειρά για κάθε αυτοκινητό. Μόλις μπεί η μηχανή σε ένα αυτοκίνητο αυτό αφήνει το στάδιο αυτό για να περάσει στο στάδιο της 'επένδυσης'. Την ίδια στιγμή ένα καινούργιο αμάξι μπαίνει στο πρώτο στάδιο της 'μηχανής' .Αν θέλαμε να φτιάξουμε τρια αυτοκίνητα και η σωλήνωση δεν ξεκινούσε να δουλεύει σε νέο αυτοκίνητο μέχρι να τελειώσει το παλιό θα χρειαζόμασταν 105 λεπτά. Εκμεταλλευόμενοι όμως την δυνατότητα που μας παρέχεται για παραλληλη λειτουργία των στάδιων της σωλήνωσης θα χρειαζόμασταν μόνο 75 λεπτά.

[Επεξεργασία] Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα

Η διαδικασίας της σωλήνωσης δεν μειώνει τον χρόνο κάθε στάδιου ξεχωριστά, αυξάνει μόνο την ρυθμαπόδοση του συστήματος όταν αυτό επεξεργάζεται ένα ρεύμα από δεδομένα.

Ένα υπολογιστικό σύστημα που χρησιμοποιεί σωλήνωση χρειάζεται περισσότερους πόρους (ηλεκτρικά κυκλώματα, μονάδες επεξεργασίας, μνήμη κτλ) σε σχέση με ένα άλλο που θα επεξεργαζόταν μια μονάδα εισόδου την φορά. Επίσης η σωλήνωση μπορεί να αυξήσει τον χρόνο που απαιτείται για την εκτέλεση μιας εντολής.

[Επεξεργασία] Σχεδιαστικά ζητήματα

Ένα σημείο κλειδί στη σχεδίαση μιας σωλήνωσης είναι η εξισσορόπηση των επιμέρους σταδίων. Χρησιμοποιόντας το παράδειγμα της γραμμής παραγωγής θα είχαμε μεγαλύτερη εξοικονόμηση χρόνου αν και το στάδιο της μηχανής και των τροχών διαρκούσε 15 λεπτα. Παρόλο που ο χρόνος αδράνειας θα ήταν πάλι 35 λεπτά, θα μπορούσαμε να παίρνουμε ένα αυτοκίνητο κάθε 15 λεπτά.

Ένα ακόμα σχεδιαστικό στοιχείο είναι η πρόληψη για επαρκή ενδιάμεσο χώρο αποθήκευσης ανάμεσα στα στάδια της σωλήνωσης, ιδιαίτερα όταν οι χρόνοι επεξεργασίας των σταδίων είναι ακανόνιστος, ή όταν μονάδες δεδομένων που διατρέχουν τη σωλήνωση ενδέχεται να καταστραφούν ή να δημιουργηθούν.