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Warum können beim Pipelining nur Sprünge nach hinten, aber nie nach vorne durchgeführt werden?
Die Annahme in der Frage, dass beim Pipelining nur Sprünge nach hinten, aber nie nach vorne durchgeführt werden können, ist nicht korrekt. In der Praxis und Theorie von Pipeline-Prozessoren können sowohl Sprünge nach hinten als auch nach vorne realisiert werden. Pipelining ist eine Technik in der Computertechnik, bei der mehrere Verarbeitungsschritte eines Prozessors parallelisiert werden. Das Ziel ist es, die Verarbeitungsgeschwindigkeit zu erhöhen, indem Befehle in einer Pipeline verarbeitet werden, in der jeder Schritt in einer eigenen "Stufe" der Verarbeitung durchgeführt wird.
Sprünge in der Pipeline:
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Sprünge nach hinten werden oft in Schleifenkonstrukten genutzt, wo die gleiche Sequenz von Befehlen wiederholt ausgeführt wird, bis eine bestimmte Bedingung erfüllt ist. Im Pipelining können Sprünge nach hinten zu sogenannten Pipeline-Hazards führen, insbesondere zu Steuerfluss-Hazards, weil die Entscheidung, ob ein Sprung ausgeführt wird oder nicht, vielleicht noch nicht getroffen wurde, wenn der Prozessor bereits Befehle hinter dem Sprungziel vorgeholt hat.
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Sprünge nach vorne kommen häufig vor, insbesondere in Bedingungen und Verzweigungen, wie if-else-Strukturen. Auch hier können Steuerfluss-Hazards auftreten, weil das Sprungziel eventuell noch nicht berechnet wurde, wenn der Prozessor versucht, nachfolgende Befehle vorzuholen.
In beiden Fällen ist die Herausforderung in einem Pipeline-Prozessor, zu entscheiden, welche Befehle vorgeholt und vorbereitet werden sollen, bevor das Ergebnis von Bedingungen und damit die genaue Ausführungsreihenfolge feststeht. Hierfür gibt es verschiedene technische Lösungsansätze:
1.
Branch Prediction: Eine Technik, bei der der Prozessor versucht, die Wahrscheinlichkeit vorherzusagen, ob ein Sprung ausgeführt wird. Auf Basis dieser Vorhersage werden Befehle vorgeholt.
2.
Speculative Execution: Dabei werden beide Wege eines bedingten Sprungs parallel verfolgt, bis klar ist, welcher der tatsächlich richtige Weg ist. Der falsche Weg wird dann verworfen.
3.
Delay Slots: Einige RISC-Architekturen nutzen Delay Slots, um die Pipeline effizienter zu nutzen. Dabei wird direkt nach einem Sprungbefehl ein Befehl platziert, der in jedem Fall ausgeführt wird, bevor der Sprung erfolgt.
Zusammengefasst: Sprünge, sowohl nach hinten als auch nach vorne, sind in Pipeline-Prozessoren möglich und üblich. Die Herausforderung besteht darin, die Pipeline effizient zu verwalten und zu verhindern, dass es zu Leistungsverlusten kommt, die durch Verzweigungshazards entstehen können. Lösungen wie Branch Prediction und Speculative Execution sind essentiell, um diese Probleme zu adressieren.
