Архитектуры с параллелизмом на уровне команд

Два класса
Суперскалярные процессоры
Процессоры с длинным командным словом

Динамическое исполнение команд в суперскалярном процессоре
Предсказание ветвлений (переходов) (branch prediction).
Переименование регистров, чтобы удалить зависимости между данными и регистрами, невидимые компилятору (register renaming).
Спекулятивное исполнение предсказанных переходов (speculative execution of predicted branches)
Исполнение команд вне порядка (out-of-order instruction execution)

Как реализован конвейер?
Устройство предварительной обработки инструкций в порядке их следования в программном коде (front end).
Исполнение вне порядка (Out-Of-Order execution)
Блок упорядоченного завершения (In-order retirement)

Устройство front end
Предсказание следующей инструкции. Используются два алгоритма предсказания переходов. Динамический алгоритм работает на стадии выборки. Статический алгоритм работает на стадии декодирования, использует правила: безусловные переходы выполняются, условные переходы назад выполняются, переходы вперед не выполняются, это соответствует обычному циклу.
Выборка потока инструкций.
Декодирование инструкций в микрооперации.
Переименование внешних регистров.
Размещение (назначение) вычислительных устройств и запоминание статуса каждой микрооперации в переупорядочивающем буфере (Reorder buffer (ROB)) в исходном порядке инструкций

Пример переименования регистров
(1) a = x + f; a = x + f;
(2) b = a * z; b = a * z;
(3) a = a + v; a1 = a + v;
(4) d = a * b; d = a1 * b;

Каждый МОП может проходить через следующие стадии:
1. находится в очереди планировщика, но ещё не готов к исполнению;
2. готов к исполнению (все аргументы операции вычислены);
3. запущен на исполнение (диспетчеризован);
4. исполнен и ждёт отставки либо отмены спекулятивной ветви;
5. находится в процессе отставки.

Устройство Out-Of-Order execution
Планирование и распределение микроопераций
Выполнение микроопераций и запоминание их результатов временно в буфере ROB.

Блок упорядоченного завершения
Запись результатов обратно во внешние архитектурные регистры, постоянная запись данных, если это необходимо.
Изъятие микроопераций из буфера ROB.

Упрощенная схема процессора

Pentium III

Alpha 21264

Athlon

Opteron

Гипертранспорт