خط الأنابيب (الحوسبة)

في مجال الحوسبة ، تُعرف سلسلة معالجة البيانات ^{[ 1 ]} بأنها مجموعة من عناصر معالجة البيانات المتصلة على التوالي، حيث يكون مُخرَج كل عنصر مُدخلاً للعنصر التالي. غالبًا ما تُنفَّذ عناصر سلسلة المعالجة بالتوازي أو على مراحل زمنية. ويُضاف عادةً قدر من التخزين المؤقت بين العناصر.

تشمل خطوط المعالجة المتعلقة بالحاسوب ما يلي:

• تُستخدم خطوط معالجة التعليمات ، مثل خط معالجة RISC الكلاسيكي ، في وحدات المعالجة المركزية (CPU) والمعالجات الدقيقة الأخرى للسماح بتنفيذ تعليمات متعددة بشكل متداخل باستخدام نفس الدائرة . تُقسّم الدائرة عادةً إلى مراحل، حيث تعالج كل مرحلة جزءًا محددًا من تعليمة واحدة في كل مرة، ثم تُمرّر النتائج الجزئية إلى المرحلة التالية. من أمثلة هذه المراحل: فك تشفير التعليمات، والعمليات الحسابية/المنطقية، وجلب البيانات من المسجلات. وترتبط هذه المراحل بتقنيات التنفيذ فائق التوازي ، وتمرير المعاملات ، والتنفيذ التخميني ، والتنفيذ خارج الترتيب .
• خطوط معالجة الرسومات ، الموجودة في معظم وحدات معالجة الرسومات (GPUs)، والتي تتكون من وحدات حسابية متعددة ، أو وحدات معالجة مركزية كاملة ، والتي تنفذ المراحل المختلفة لعمليات العرض الشائعة ( الإسقاط المنظوري ، قص النافذة ، حساب اللون والضوء ، العرض، إلخ).
• خطوط معالجة البرمجيات ، التي تتألف من سلسلة من عمليات الحوسبة (أوامر، تشغيل برامج، مهام، خيوط، إجراءات، إلخ)، تُنفذ نظريًا بالتوازي، حيث يُغذى تدفق مخرجات إحدى العمليات تلقائيًا كتدفق مدخلات للعملية التالية. يُعد نظام يونكس (Unix system call pipe) مثالًا كلاسيكيًا على هذا المفهوم.
• تقنية HTTP pipelining هي تقنية لإصدار طلبات HTTP متعددة من خلال نفس اتصال TCP ، دون انتظار انتهاء الطلب السابق قبل إصدار طلب جديد.

إذا كانت سلسلة العمليات تتكون من خطوات متكررة ، فيمكن إعادة تشغيلها دون تغيير النتيجة بعد التشغيل الأولي. وهذا مفيد من حيث الموثوقية والصيانة.

بما أن إنتاجية خط الإنتاج لا يمكن أن تتجاوز إنتاجية أبطأ عنصر فيه، ينبغي على المصمم محاولة توزيع العمل والموارد بين المراحل بحيث تستغرق جميعها نفس الوقت لإنجاز مهامها. في مثال تجميع السيارات المذكور أعلاه، إذا استغرقت كل مهمة من المهام الثلاث 15 دقيقة، بدلاً من 20 و10 و15 دقيقة، فسيظل زمن الاستجابة 45 دقيقة، ولكن سيتم حينها الانتهاء من سيارة جديدة كل 15 دقيقة، بدلاً من 20 دقيقة.

في الظروف المثالية، إذا كانت جميع عناصر المعالجة متزامنة وتستغرق نفس المدة الزمنية للمعالجة، فيمكن لكل عنصر استقبال كل عنصر فور إرساله من العنصر السابق، في دورة ساعة واحدة . وبهذه الطريقة، تتدفق العناصر عبر خط المعالجة بسرعة ثابتة، كالأمواج في قناة مائية. في مثل هذه "خطوط المعالجة الموجية" ^{[ 2 ]} ، لا حاجة إلى تزامن أو تخزين مؤقت بين المراحل، باستثناء مساحة التخزين اللازمة لعناصر البيانات.

بشكل عام، يُعد التخزين المؤقت بين مراحل خط المعالجة ضروريًا عندما تكون أوقات المعالجة غير منتظمة، أو عندما يتم إنشاء عناصر أو حذفها أثناء عملية المعالجة. على سبيل المثال، في خط معالجة الرسومات الذي يعالج المثلثات لعرضها على الشاشة، قد يتجاهل عنصرٌ ما، يتحقق من رؤية كل مثلث، المثلث إذا كان غير مرئي، أو قد يُخرج جزأين مثلثيين أو أكثر من العنصر إذا كانت مخفية جزئيًا. كما أن التخزين المؤقت ضروري أيضًا لاستيعاب التفاوتات في معدلات تغذية التطبيق للعناصر إلى المرحلة الأولى واستهلاكه لمخرجات المرحلة الأخيرة.

قد يكون المخزن المؤقت بين مرحلتين مجرد سجل مادي مزود بمنطق تزامن وإشارة مناسب بين المرحلتين. عندما تخزن المرحلة (أ) عنصر بيانات في السجل، فإنها ترسل إشارة "البيانات متاحة" إلى المرحلة التالية (ب). بمجرد أن تستخدم (ب) تلك البيانات، فإنها ترد بإشارة "تم استلام البيانات" إلى (أ). تتوقف (أ) مؤقتًا، منتظرةً هذه الإشارة، قبل تخزين عنصر البيانات التالي في السجل. تتوقف (ب) مؤقتًا، منتظرةً إشارة "البيانات متاحة"، إذا كانت جاهزة لمعالجة العنصر التالي ولكن (أ) لم توفره بعد.

إذا كانت أوقات معالجة عنصر ما متغيرة، فقد يتوقف خط المعالجة بأكمله في كثير من الأحيان، بانتظار أن يستهلك هذا العنصر وجميع العناصر السابقة له العناصر الموجودة في مخازن الإدخال الخاصة بها. يمكن تقليل تكرار حالات توقف خط المعالجة هذه بتوفير مساحة لأكثر من عنصر واحد في مخزن الإدخال لتلك المرحلة. عادةً ما يتم تنفيذ مخزن الإدخال متعدد العناصر هذا كطابور يعمل وفق مبدأ "الأول في الأول خارج" . قد تظل المرحلة السابقة بحاجة إلى التوقف عند امتلاء الطابور، ولكن سيقل تكرار هذه الأحداث مع زيادة عدد خانات التخزين المؤقت. يمكن لنظرية الطوابير تحديد عدد خانات التخزين المؤقت المطلوبة، بناءً على تباين أوقات المعالجة والأداء المطلوب.

إذا استغرقت إحدى المراحل (أو قد تستغرق) وقتًا أطول بكثير من المراحل الأخرى، ولم يكن بالإمكان تسريعها، فيمكن للمصمم توفير عنصرين أو أكثر للمعالجة لتنفيذ تلك المهمة بالتوازي، باستخدام مخزن إدخال واحد ومخزن إخراج واحد. عند انتهاء كل عنصر من معالجة عنصر البيانات الحالي، يُرسله إلى مخزن الإخراج المشترك، ويأخذ عنصر البيانات التالي من مخزن الإدخال المشترك. يتجلى مفهوم خط الأنابيب "غير الخطي" أو "الديناميكي" في المتاجر أو البنوك التي تضم اثنين أو أكثر من أمناء الصندوق الذين يخدمون العملاء من طابور انتظار واحد.

في بعض التطبيقات، قد تعتمد معالجة العنصر Y في المرحلة A على نتائج أو تأثير معالجة العنصر X السابق في مرحلة لاحقة B من مسار المعالجة. في هذه الحالة، لا تستطيع المرحلة A معالجة العنصر Y بشكل صحيح حتى يتم الانتهاء من معالجة العنصر X في المرحلة B.

يحدث هذا الموقف كثيرًا في مسارات تنفيذ التعليمات. على سبيل المثال، لنفترض أن Y هي تعليمة حسابية تقرأ محتويات سجل كان من المفترض أن يتم تعديله بواسطة تعليمة سابقة X. ولتكن A هي المرحلة التي تجلب معاملات التعليمة ، وB هي المرحلة التي تكتب النتيجة إلى السجل المحدد. إذا حاولت المرحلة A معالجة التعليمة Y قبل أن تصل التعليمة X إلى المرحلة B، فقد يظل السجل يحتوي على القيمة القديمة، وبالتالي سيكون تأثير Y غير صحيح.

لضمان معالجة هذه التعارضات بشكل صحيح، يجب تزويد خط الأنابيب بدوائر أو منطق إضافي لكشفها واتخاذ الإجراء المناسب. وتشمل استراتيجيات القيام بذلك ما يلي:

• التوقف: يتم إيقاف كل مرحلة متأثرة، مثل المرحلة أ، حتى يتم حل التبعية - أي حتى تتوفر المعلومات المطلوبة و/أو يتم تحقيق الحالة المطلوبة.
• إعادة ترتيب العناصر: بدلاً من التوقف، قد تقوم المرحلة أ بوضع العنصر ص جانبًا والبحث عن أي عنصر لاحق ع في مسار الإدخال الخاص بها والذي لا توجد له أي تبعيات معلقة مع أي عنصر سابق. في مسارات التعليمات، تُسمى هذه التقنية بالتنفيذ خارج الترتيب .
• التخمين والتراجع: من الأمثلة المهمة على التبعية بين العناصر معالجة تعليمات التفرع الشرطي X بواسطة خط أنابيب التعليمات. لا تستطيع المرحلة الأولى A من خط الأنابيب، التي تجلب التعليمات التالية Y المراد تنفيذها، أداء مهمتها حتى تجلب X معاملها وتحدد ما إذا كان سيتم تنفيذ التفرع أم لا. قد يستغرق ذلك عدة دورات ساعة، لأن معامل X قد يعتمد بدوره على التعليمات السابقة التي تجلب البيانات من الذاكرة الرئيسية.

بدلاً من التوقف بانتظار انتهاء تنفيذ X، قد تُخمّن المرحلة A ما إذا كان سيتم تنفيذ التفرع أم لا، وتستدعي التعليمات التالية Y بناءً على هذا التخمين. إذا تبيّن لاحقًا أن التخمين خاطئ (وهو أمر نادر الحدوث لحسن الحظ)، فسيتعين على النظام التراجع واستئناف التنفيذ بالخيار الصحيح. أي أنه سيتعين التراجع عن جميع التغييرات التي أُجريت على حالة الجهاز بواسطة المرحلة A والمراحل اللاحقة بناءً على هذا التخمين، ومسح التعليمات التي تلي X الموجودة بالفعل في مسار التنفيذ، وإعادة تشغيل المرحلة A بمؤشر التعليمات الصحيح . تُعدّ استراتيجية التنبؤ بالتفرع هذه حالة خاصة من التنفيذ التخميني .