Современные высокопроизводительные компьютеры


Аппаратные средства поддержки большой степени распараллеливания


Методы, подобные разворачиванию циклов и планированию трасс, могут использоваться для увеличения степени доступного параллелизма, когда поведение условных переходов достаточно предсказуемо во время компиляции. Если же поведение переходов не известно, одной техники компиляторов может оказаться не достаточно для выявления большей степени параллелизма уровня команд. В этом разделе представлены два метода, которые могут помочь преодолеть подобные ограничения. Первый метод заключается в расширении набора команд условными или предикатными командами. Такие команды могут использоваться для ликвидации условных переходов и помогают компилятору перемещать команды через точки условных переходов. Условные команды увеличивают степень параллелизма уровня команд, но имеют существенные ограничения. Для использования большей степени параллелизма разработчики исследовали идею, которая называется "выполнением по предположению" (speculation), и позволяет выполнить команду еще до того, как процессор узнает, что она должна выполняться (т.е. этот метод позволяет избежать приостановок конвейера, связанных с зависимостями по управлению).

Условные команды

Концепция, лежащая в основе условных команд, достаточно проста: команда обращается к некоторому условию, оценка которого является частью выполнения команды. Если условие истинно, то команда выполняется нормально; если условие ложно, то выполнение команды осуществляется, как если бы это была пустая команда. Многие новейшие архитектуры включают в себя ту или иную форму условных команд. Наиболее общим примером такой команды является команда условной пересылки, которая выполняет пересылку значения одного регистра в другой, если условие истинно. Такая команда может использоваться для полного устранения условных переходов в простых последовательностях программного кода.

Например, рассмотрим следующий оператор:

if (A=0) {S=T;};

Предполагая, что регистры R1, R2 и R3 хранят значения A, S и T соответственно, представим код этого оператора с командой условного перехода и с командой условной пересылки.


Код с использованием команды условного перехода будет иметь следующий вид:

BEQZ R1,L

MOV R2,R3

L:

Используя команду условной пересылки, которая выполняет пересылку только если ее третий операнд равен нулю, мы можем реализовать этот оператор с помощью одной команды:

CMOVZ R2,R3,R1

Условная команда позволяет преобразовать зависимость по управлению, присутствующую в коде с командой условного перехода, в зависимость по данным. (Это преобразование используется также в векторных машинах, в которых оно называется if-преобразованием (if-convertion)). Для конвейерной машины такое преобразование позволяет перенести точку, в которой должна разрешаться зависимость, от начала конвейера, где она разрешается для условных переходов, в конец конвейера, где происходит запись в регистр.

Одним из примеров использования команд условной пересылки является реализация функции вычисления абсолютного значения: A = abs (B), которая реализуется оператором

if (B<0) {A=-B} else {A=B}.

Этот оператор if может быть реализован парой команд условных пересылок или командой безусловной пересылки (A=B), за которой следует команда условной пересылки (A=-B).

Условные команды могут использоваться также для улучшения планирования в суперскалярных или VLIW-процессорах. Ниже приведен пример кодовой последовательности для суперскалярной машины с одновременной выдачей для выполнения не более двух команд. При этом в каждом такте может выдаваться комбинация одной команды обращения к памяти и одной команды АЛУ или только одна команда условного перехода:

LW R1,40(R2) ADD R3,R4,R5

ADD R6,R3,R7

BEQZ R10,L

LW R8,20(R10)

LW R9,0(R8)

Эта последовательность теряет слот операции обращения к памяти во втором такте и приостанавливается из-за зависимости по данным, если переход невыполняемый, поскольку вторая команда LW после перехода зависит от предыдущей команды загрузки. Если доступна условная версия команды LW, то команда LW, немедленно следующая за переходом (LW R8,20(R10)), может быть перенесена во второй слот выдачи.


Это улучшает время выполнения на несколько тактов, поскольку устраняет один слот выдачи команды и сокращает приостановку конвейера для последней команды последовательности.

Для успешного использования условных команд в примерах, подобных этому, семантика команды должна определять команду таким образом, чтобы не было никакого побочного эффекта, если условие не выполняется. Это означает, что если условие не выполняется, команда не должна записывать результат по месту назначения, а также не должна вызывать исключительную ситуацию. Как показывает вышеприведенный пример, способность не вызывать исключительную ситуацию достаточно важна: если регистр R10 содержит нуль, команда LW R8,20(R10), выполненная безусловно, возможно вызовет исключительную ситуацию по защите памяти, а эта исключительная ситуация не должна возникать. Именно эта вероятность возникновения исключительной ситуации не дает возможность компилятору просто перенести команду загрузки R8 через команду условного перехода. Конечно, если условие удовлетворено, команда LW все еще может вызвать исключительную ситуацию (например, ошибку страницы), и аппаратура должна воспринять эту исключительную ситуацию, поскольку она знает, что управляющее условие истинно.

Условные команды определенно полезны для реализации коротких альтернативных потоков управления. Тем не менее полезность условных команд существенно ограничивается несколькими факторами:

  • Аннулируемые условные команды (т.е. команды, условие которых является ложным) все же отнимают определенное время выполнения. Поэтому перенос команды через команду условного перехода и превращение ее в условную будет замедлять программу всякий раз, когда перенесенная команда не будет нормально выполняться. Важное исключение из этого правила возникает, когда такты, используемые перенесенной невыполняемой командой, были бы в любом случае холостыми (как в вышеприведенном примере с суперскалярной обработкой). Перенос команды через команду условного перехода существенно базируется на предположении о направлении перехода.


    Условные команды упрощают реализацию такого переноса, но не устраняют время выполнения, которое будет затрачено при неправильном предположении.

  • Условные команды наиболее полезны, когда условие может быть вычислено заранее. Если условие и условный переход не могут быть отделены друг от друга (из-за зависимости по данным при определении условия), то условная команда не поможет, хотя все еще может оказаться полезной, поскольку она задерживает момент времени, когда условие должно стать известным, почти до конца конвейера.

  • Использование условных команд ограничено, когда в поток управления вовлечено больше одной простой альтернативной последовательности команд. Например, при переносе команды через пару команд условного перехода необходимо, чтобы она оставалась зависимой от обоих условий, что требует либо спецификации в команде сразу двух условий (маловероятная возможность), либо вставки дополнительных команд для вычисления конъюнкции условий.

  • Условные команды могут давать некоторые потери скорости по сравнению с безусловными командами. Это может проявиться либо в большем количестве тактов, необходимых для выполнения таких команд, либо в уменьшении общей частоты синхронизации машины. Если условные команды являются более дорогими с точки зрения скорости выполнения, то их следует использовать осмысленно.

    По этим причинам во многих современных архитектурах используется небольшое число условных команд (наиболее популярными являются команды условных пересылок), хотя некоторые из них включают условные версии большинства команд (рис. 6.18).

    AlphaHP-PAMIPSPowerPCSPARC

    Условная пересылкаЛюбая команда типа регистр-регистр может аннулировать следующую команду, делая ее условнойУсловная
    пересылка
    Условная пересылкаУсловная пересылка

    Рис. 6.18. Условные команды в современных архитектурах

    Выполнение по предположению (speculation)

    Поддерживаемое аппаратурой выполнение по предположению позволяет выполнить команду до момента определения направления условного перехода, от которого данная команда зависит.


    Это снижает потери, которые возникают при наличии в программе зависимостей по управлению. Чтобы понять, почему выполнение по предположению оказывается полезным, рассмотрим следующий простой пример программного кода, который реализует проход по связанному списку и инкрементирование каждого элемента этого списка:

    for (p=head; p <> nil; *p=*p.next) {

    *p.value = *p.value+1;

    }

    Подобно циклам for, с которыми мы встречались в более ранних разделах, разворачивание этого цикла не увеличит степени доступного параллелизма уровня команд. Действительно, каждая развернутая итерация будет содержать оператор if и выход из цикла. Ниже приведена последовательность команд в предположении, что значение head находится в регистре R4, который используется для хранения p, и что каждый элемент списка состоит из поля значения и следующего за ним поля указателя. Проверка размещается внизу так, что на каждой итерации цикла выполняется только один переход.

    J looptest

    start: LW R5,0(R4)

    ADDI R5,R5,#1

    SW 0(R4),R5

    LW R4,4(R4)

    looptest: BNEZ R4,start

    Развернув цикл однажды можно видеть, что разворачивание в данном случае не помогает:

    J looptest

    start: LW R5,0(R4)

    ADDI R5,R5,#1

    SW 0(R4),R5

    LW R4,4(R4)

    BNEZ R4,end

    LW R5,0(R4)

    ADDI R5,R5,#1

    SW 0(R4),R5

    LW R4,4(R4)

    looptest: BNEZ R4,start

    end:

    Даже прогнозируя направление перехода мы не можем выполнять с перекрытием команды из двух разных итераций цикла, и условные команды в любом случае здесь не помогут. Имеются несколько сложных моментов для выявления параллелизма из этого развернутого цикла:

  • Первая команда в итерации цикла (LW R5,0(R4)) зависит по управлению от обоих условных переходов. Таким образом, команда не может выполняться успешно (и безопасно) до тех пор, пока мы не узнаем исходы команд перехода.

  • Вторая и третья команды в итерации цикла зависят по данным от первой команды цикла.

  • Четвертая команда в каждой итерации цикла (LW R4,4(R4)) зависит по управлению от обоих переходов и антизависит от непосредственно предшествующей ей команды SW.



  • Последняя команда итерации цикла зависит от четвертой. Вместе эти условия означают, что мы не можем совмещать выполнение никаких команд между последовательными итерациями цикла! Имеется небольшая возможность совмещения посредством переименования регистров либо аппаратными, либо программными средствами, если цикл развернут, так что вторая загрузка более не антизависит от SW и может быть перенесена выше.

    В альтернативном варианте, при выполнении по предположению, что переход не будет выполняться, мы можем попытаться совместить выполнение последовательных итераций цикла. Действительно, это в точности то, что делает компилятор с планированием трасс. Когда направление переходов может прогнозироваться во время компиляции, и компилятор может найти команды, которые он может безопасно перенести на место перед точкой перехода, решение, базирующееся на технологии компилятора, идеально. Эти два условия являются ключевыми ограничениями для выявления параллелизма уровня команд статически с помощью компилятора. Рассмотрим развернутый выше цикл. Переход просто трудно прогнозируем, поскольку частота, с которой он является выполняемым, зависит от длины списка, по которому осуществляется проход. Кроме того, мы не можем безопасно перенести команду загрузки через переход, поскольку, если содержимое R4 равно nil, то команда загрузки слова, которая использует R4 как базовый регистр, гарантированно приведет к ошибке и обычно сгенерирует исключительную ситуацию по защите. Во многих системах значение nil реализуется с помощью указателя на неиспользуемую страницу виртуальной памяти, что обеспечивает ловушку (trap) при обращении по нему. Такое решение хорошо для универсальной схемы обнаружения указателей на nil, но в данном случае это не очень помогает, поскольку мы можем регулярно генерировать эту исключительную ситуацию, и стоимость обработки исключительной ситуации плюс уничтожения результатов выполнения по предположению будет огромной.

    Чтобы преодолеть эти сложности, машина может иметь в своем составе специальные аппаратные средства поддержки выполнения по предположению.


    Эта методика позволяет машине выполнять команду, которая может быть зависимой по управлению, и избежать любых последствий выполнения этой команды (включая исключительные ситуации), если окажется, что в действительности команда не должна выполняться. Таким образом выполнение по предположению, подобно условным командам, позволяет преодолеть два сложных момента, которые могут возникнуть при более раннем выполнении команд: возможность появления исключительной ситуации и ненужное изменение состояния машины, вызванное выполнением команды. Кроме того, механизмы выполнения по предположению позволяют выполнять команду даже до момента оценки условия командой условного перехода, что невозможно при условных командах. Конечно, аппаратная поддержка выполнения по предположению достаточно сложна и требует значительных аппаратных ресурсов.

    Один из подходов, который был хорошо исследован во множестве исследовательских проектов и используется в той или иной степени в машинах, которые разработаны или находятся на стадии разработки в настоящее время, заключается в объединении аппаратных средств динамического планирования и выполнения по предположению. В определенной степени подобную работу делала и IBM 360/91, поскольку она могла использовать средства прогнозирования направления переходов для выборки команд и назначения этих команд на станции резервирования. Механизмы, допускающие выполнение по предположению, идут дальше и позволяют действительно выполнять эти команды, а также другие команды, зависящие от команд, выполняющихся по предположению. Как и для алгоритма Томасуло, поясним аппаратное выполнение по предположению на примере устройства плавающей точки, но все идеи естественно применимы и для целочисленного устройства.

    Аппаратура, реализующая алгоритм Томасуло, может быть расширена для обеспечения поддержки выполнения по предположению. С этой целью необходимо отделить средства пересылки результатов команд, которые требуются для выполнения по предположению некоторой команды, от механизма действительного завершения команды.


    Имея такое разделение функций, мы можем допустить выполнение команды и пересылать ее результаты другим командам, не позволяя ей однако делать никакие обновления состояния машины, которые не могут быть ликвидированы, до тех пор, пока мы не узнаем, что команда должна безусловно выполниться. Использование цепей ускоренной пересылки также подобно выполнению по предположению чтения регистра, поскольку мы не знаем, обеспечивает ли команда, формирующая значение регистра-источника, корректный результат до тех пор, пока ее выполнение не станет безусловным. Если команда, выполняемая по предположению, становится безусловной, ей разрешается обновить регистровый файл или память. Этот дополнительный этап выполнения команд обычно называется стадией фиксации результатов команды (instruction commit).

    Главная идея, лежащая в основе реализации выполнения по предположению, заключается в разрешении неупорядоченного выполнения команд, но в строгом соблюдении порядка фиксации результатов и предотвращением любого безвозвратного действия (например, обновления состояния или приема исключительной ситуации) до тех пор, пока результат команды не фиксируется. В простом конвейере с выдачей одиночных команд мы могли бы гарантировать, что команда фиксируется в порядке, предписанном программой, и только после проверки отсутствия исключительной ситуации, вырабатываемой этой командой, просто посредством переноса этапа записи результата в конец конвейера. Когда мы добавляем механизм выполнения по предположению, мы должны отделить процесс фиксации команды, поскольку он может произойти намного позже, чем в простом конвейере. Добавление к последовательности выполнения команды этой фазы фиксации требует некоторых изменений в последовательности действий, а также в дополнительного набора аппаратных буферов, которые хранят результаты команд, которые завершили выполнение, но результаты которых еще не зафиксированы. Этот аппаратный буфер, который можно назвать буфером переупорядочивания, используется также для передачи результатов между командами, которые могут выполняться по предположению.



    Буфер переупорядочивания предоставляет дополнительные виртуальные регистры точно так же, как станции резервирования в алгоритме Томасуло расширяют набор регистров. Буфер переупорядочивания хранит результат некоторой операции в промежутке времени от момента завершения операции, связанной с этой командой, до момента фиксации результатов команды. Поэтому буфер переупорядочивания является источником операндов для команд, точно также как станции резервирования обеспечивают промежуточное хранение и передачу операндов в алгоритме Томасуло. Основная разница заключается в том, что когда в алгоритме Томасуло команда записывает свой результат, любая последующая выдаваемая команда будет выбирать этот результат из регистрового файла. При выполнении по предположению регистровый файл не обновляется до тех пор, пока команда не фиксируется (и мы знаем определенно, что команда должна выполняться); таким образом, буфер переупорядочивания поставляет операнды в интервале между завершением выполнения и фиксацией результатов команды. Буфер переупорядочивания не похож на буфер записи в алгоритме Томасуло, и в нашем примере функции буфера записи интегрированы с буфером переупорядочивания только с целью упрощения. Поскольку буфер переупорядочивания отвечает за хранение результатов до момента их записи в регистры, он также выполняет функции буфера загрузки.

    Каждая строка в буфере переупорядочивания содержит три поля: поле типа команды, поле места назначения (результата) и поле значения. Поле типа команды определяет, является ли команда условным переходом (для которого отсутствует место назначения результата), командой записи (которая в качестве места назначения результата использует адрес памяти) или регистровой операцией (команда АЛУ или команда загрузки, в которых местом назначения результата является регистр). Поле назначения обеспечивает хранение номера регистра (для команд загрузки и АЛУ) или адрес памяти (для команд записи), в который должен быть записан результат команды. Поле значения используется для хранения результата операции до момента фиксации результата команды.


    На рис. 6. 19 показана аппаратная структура машины с буфером переупорядочивания. Буфер переупорядочивания полностью заменяет буфера загрузки и записи. Хотя функция переименования станций резервирования заменена буфером переупорядочивания, нам все еще необходимо некоторое место для буферизации операций (и операндов) между моментом их выдачи и началом выполнения. Эту функцию выполняют регистровые станции резервирования. Поскольку каждая команда имеет позицию в буфере переупорядочивания до тех пор, пока она не будет зафиксирована (и результаты не будут отправлены в регистровый файл), результат тегируется посредством номера строки буфера переупорядочивания, а не номером станции резервирования. Это требует, чтобы номер строки буфера переупорядочивания, присвоенный команде, отслеживался станцией резервирования.

    Ниже перечислены четыре этапа выполнение команды:

  • Выдача. Получает команду из очереди команд плавающей точки. Выдает команду для выполнения, если имеется свободная станция резервирования и свободная строка в буфере переупорядочивания; передает на станцию резервирования операнды, если они находятся в регистрах или в буфере переупорядочивания; и обновляет поля управления для индикации того, что буфера используются. Номер отведенной под результат строки буфера переупорядочивания также записывается в станцию резервирования, так что этот номер может использоваться для тегирования (пометки) результата, когда он помещается на CDB. Если все станции резервирования заполнены, или полон буфер переупорядочивания, выдача команды приостанавливается до тех пор, пока в обоих буферах не появится доступной строки.

  • Выполнение. Если один или несколько операндов еще не готовы (отсутствуют), осуществляется просмотр CDB (Common Data Bus) и происходит ожидание вычисления значения требуемого регистра. На этом шаге выполняется проверка наличия конфликтов типа RAW. Когда оба операнда оказываются на станции резервирования, происходит вычисление результата операции.

  • Запись результата. Когда результат вычислен и становится доступным, выполняется его запись на CDB (с посылкой тега буфера переупорядочивания, который был присвоен команде на этапе выдачи для выполнения) и из CDB в буфер переупорядочивания, а также в каждую станцию резервирования, ожидающую этот результат. (Можно было бы также читать результат из буфера переупорядочивания, а не из CDB, точно также, как централизованная схема управления (scoreboard) читает результаты из регистров, а не с шины завершения).


    Станция резервирования помечается как свободная.

  • Фиксация. Когда команда достигает головы буфера переупорядочивания и ее результат присутствует в буфере, соответствующий регистр обновляется значением результата (или выполняется запись в память, если операция - запись в память), и команда изымается из буфера переупорядочивания.



    Рис. 6.19. Расширение устройства ПТ средствами выполнения по предположению

    Когда команда фиксируется, соответствующая строка буфера переупорядочивания очищается, а место назначения результата (регистр или ячейка памяти) обновляется. Чтобы не менять номера строк буфера переупорядочивания после фиксации результата команды, буфер переупорядочивания реализуется в виде циклической очереди, так что позиции в буфере переупорядочивания меняются, только когда команда фиксируется. Если буфер переупорядочивания полностью заполнен, выдача команд останавливается до тех пор, пока не освободится очередная строка буфера.

    Поскольку никакая запись в регистры или ячейки памяти не происходит до тех пор, пока команда не фиксируется, машина может просто ликвидировать все свои выполненные по предположению действия, если обнаруживается, что направление условного перехода было спрогнозировано не верно.

    Рассмотрим следующий пример:

    LD F6, 34(R2)

    LD F2, 45(R3)

    MULTD F0, F2, F4

    SUBD F8, F6, F2

    DIVD F10, F0, F6

    ADDD F6, F8, F2

    Представим, что в приведенном выше примере команда условного перехода BNEZ в первый раз не выполняется (рис. 6.20). Тогда команды, предшествующие команде условного перехода, будут просто фиксироваться по мере достижения каждой из них головы буфера переупорядочивания. Когда головы этого буфера достигает команда условного перехода, содержимое буфера просто гасится, и машина начинает выборку команд из другой ветви программы.

    Станции резервирования

    ИмяЗанятостьOpVjVkQjQkНазначение

    Add1Нет

    Add2Нет

    Add3Нет

    Mult1НетMULTMem[45+Regs[R3]]Regs[F4] #3

    Mult2ДаDIV Mem[34+Regs[R2]]#3 #5



    Буфер переупорядочивания

    НомерЗанятостьКомандаСостояниеМесто наз-
    начения
    Значение

    1НетLD F6,34(R2)ЗафиксированаF6Mem[34+Regs[R2]]

    2НетLD F2,45(R3)ЗафиксированаF2Mem[45+Regs[R3]]

    3НетMULTD F0,F2,F4Запись
    результата
    F0#2 x Regs[R4]]

    4ДаSUBD F8,F6,F2Запись
    результата
    F8#1 - #2

    5ДаDIVD F10,F0,F6ВыполнениеF10

    6ДаADD F6,F8,F2Запись
    результата
    F6#4 + #2



    Состояние регистров

    ПолеF0F2F4F6F8F10F12. . .F30

    Порядковый #3 645

    ЗнятостьДаНетНетДаДаДаНет. . .Нет

    <


    Рис. 6.20. Состояние устройства ПТ для выполнения по предположению

    Исключительные ситуации в подобной машине не воспринимаются до тех пор, пока соответствующая команда не готова к фиксации. Если выполняемая по предположению команда вызывает исключительную ситуацию, эта исключительная ситуация записывается в буфер упорядочивания. Если обнаруживается неправильный прогноз направления условного перехода и выясняется, что команда не должна была выполняться, исключительная ситуация гасится вместе с командой, когда обнуляется буфер переупорядочивания. Если же команда достигает вершины буфера переупорядочивания, то мы знаем, что она более не является выполняемой по предположению (она уже стала безусловной), и исключительная ситуация должна действительно восприниматься.

    Эту методику выполнения по предположению легко распространить и на целочисленные регистры и функциональные устройства. Действительно, выполнение по предположению может быть более полезно в целочисленных программах, поскольку именно такие программы имеют менее предсказуемое поведение переходов. Кроме того, эти методы могут быть расширены так, чтобы обеспечить работу в машинах с выдачей на выполнение и фиксацией результатов нескольких команд в каждом такте. Выполнение по предположению возможно является наиболее интересным методом именно для таких машин, поскольку менее амбициозные машины могут довольствоваться параллелизмом уровня команд внутри базовых блоков при соответствующей поддержке со стороны компилятора, использующего технологию разворачивания циклов.

    Очевидно, все рассмотренные ранее методы не могут достичь большей степени распараллеливания, чем заложено в конкретной прикладной программе. Вопрос увеличения степени параллелизма прикладных систем в настоящее время является предметом интенсивных исследований, проводимых во всем мире.

    [] [] []


    Содержание раздела






    Forekc.ru
    Рефераты, дипломы, курсовые, выпускные и квалификационные работы, диссертации, учебники, учебные пособия, лекции, методические пособия и рекомендации, программы и курсы обучения, публикации из профильных изданий