Архитектура ЭВМ и систем (конспект лекций). Конспект лекций

• Название: Конспект лекций
• Дата: 05.02.2019
• Размер: 1.1 Mb.
• Имя файла: Архитектура ЭВМ и систем (конспект лекций).doc
• Тип: Конспект; #66533
• страница: 8 из 13

Предварительная выборка команд и предсказание переходов

Поскольку при суперскалярной обработке необходимо извлекать из памяти несколько команд за один такт для загрузки параллельно рабо­тающих функциональных модулей, повышенные требования предъявля­ются к пропускной способности интерфейса микропроцессор-память. В со­временных микропроцессорах применяются многоуровневые раздельные кэш-памяти данных и команд.

Для уменьшения потерь процессорных циклов, связанных с промаха­ми при обращении к кэш-памяти в случае выполнения команд ветвления, в состав системы кэширования введены средства предсказания переходов, основное назначение которых - повысить вероятность наличия в кэш-па­мяти требуемой команды.

Исполнение условных ветвлений состоит из следующих этапов:

• распознание команды условного ветвления;

• проверка выполнения условия перехода;

• вычисление адреса перехода;

• передача управления, в случае перехода. На каждом этапе используются специальные приемы повышения про­изводительности.

1. Для быстрого декодирования используются либо дополнительные биты в поле команды, либо преддекодирование команд при выборе из кэш-памяти команд.

2. Часто, когда команда уже выбрана в кэш, условие перехода еще не вычислено. Чтобы не задерживать поток команд в данном случае исполь­зуется предсказание перехода по одной из нескольких возможных схем. Некоторые предсказатели используют статическую информацию из дво­ичного кода программы или специально выработанную компилятором. Например, определенные коды операций чаще вырабатывают ветвление, чем другие коды, или ветвление более вероятно (при организации цик­лов), или компилятор может устанавливать флаг, указывающий направ­ления перехода. Может также использоваться статистическая информа­ция, полученная при трассировке программы.

Другие предсказатели используют динамически формируемую инфор­мацию в процессе исполнения программы. Обычно это информация, ка­сающаяся истории выполнения данного ветвления, сохраняемая в табли­це ветвлений или в таблице предсказаний ветвлений. Таблица предсказа­ния ветвлений организуется по ассоциативному принципу, подобно кэш-памяти, ее элементы доступны по адресу команды, ветвление которой пред­сказывается. В некоторых реализациях элемент таблицы предсказания ветв­ления является счетчиком, значение которого увеличивается при правиль­ном предсказании и уменьшается при неправильном. При этом значение счетчика определяет преобладающее направление ветвлений.

В момент определения действительного значения условия ветвления, вно­сится изменение в историю ветвления. Если предсказание было неверным, то должна инициироваться выборка правильных команд. Результаты ко­манд, которые были условно выполнены, должны быть аннулированы.

3. Для определения адреса ветвления обычно требуется выполнить це­лочисленное сложение, прибавляющее к текущему значению счетчика ко­манд смещение, заданное в поле команды ветвления. И хотя это не требует дополнительных циклов для обращения к регистрам, ускорение вычисле­ния адреса может быть достигнуто благодаря использованию буфера, со­держащего ранее использованные адреса переходов.

Если требуется осуществить смену значения счетчика команд, то необ­ходим, по крайней мере, один такт для распознания команды ветвления, модификации счетчика команд и выборки команды по заданному значе­нию счетчика команд. Эти задержки вызывают пустые такты в конвейе­рах процессора. Более сложные решения используют буферы, содержащие наборы команд для двух возможных результатов ветвлений.

Возможно также использование "отложенных переходов", когда одна или несколько команд после команды ветвления выполняются безусловно.

Декодирование команд, переименование ресурсов и диспетчеризация

На этой фазе определяются существенные зависимости (RAW) по данным между командами и преодолеваются несущественные (WAW, WAR), произво­дится распределение команд по буферам команд функциональных устройств.

При декодировании команды создается одна или несколько упорядо­ченных троек, каждая из которых включает: 1) исполняемую операцию, 2) указатели на операнды, 3) указатель на место помещения результата.

Для преодоления лишних WAR и WAW зависимостей, возникающих в результате ограниченности логических ресурсов (ячеек памяти, регистров), используется механизм динамического отображения определяемых текстом программы логических ресурсов на физические ресурсы микропроцессо­ра. При данном подходе с одним логическим ресурсом может быть связано несколько значений в различных физических ресурсах, каждое из кото­рых соответствует значению логической величины в один из моментов времени последовательного выполнения программы.

Когда команда создает новое значение для логического регистра, фи­зический ресурс, в который помещается это значение, получает имя. По­следующие команды, использующие это значение, снабжаются именем физического ресурса. Данная процедура называется переименованием ре­гистров. Используются два основных способа переименования.

В первом, физический файл регистров больше логического. При необ­ходимости переименования из списка свободных физических регистров берется один и ему сопоставляется соответствующее логическое имя. Если список свободных регистров пуст, диспетчеризация команд приостанав­ливается до момента появления свободных физических регистров.

Рассмотрим пример реализации данного способа переименования. Пусть требуется выполнить команду sub r3, г3, 5 (из значения регистра г3 вычесть константу 5 и поместить результат в регистр r3). Логические имена регистров начинаются со строчной буквы, а физические — с прописной. Пусть также в момент исполнения команды в таблице регистру r3 соответствует R1. Пер­вым регистром в списке свободных пусть является R2. Поэтому в поле ре­зультата команды sub r3, r3, 5 регистр r3 заменяется на R2. Исполнимая ко­манда приобретает вид sub R2, R1, 5. Любая следующая за sub команда, ис­пользующая ее результат, должна использовать в качестве операнда R2.

Остается вопрос о возвращении физических регистров в список сво­бодных после того, как из них считаны данные в последний раз. Один из способов связывает счетчик с каждым физическим регистром. Счетчик увеличивается при каждом переименовании операнда в командах, исполь­зующих этот физический регистр. Соответственно при использовании опе­ранда значения счетчика уменьшается на 1. При достижении счетчиком нуля физический ресурс должен быть переведен в список свободных.

Второй способ переименования использует одинаковое число логиче­ских и физических регистров и поддерживает их однозначное соответствие. В дополнение имеется буфер с одним вхождением для каждой иницииро­ванной на исполнение команды. Этот буфер называется переупорядочиваю­щим, так как он используется также для установления порядка команд при прерываниях. Данный буфер можно рассматривать как FIFO очередь, вы­полненную в виде кольцевого буфера с указателями "начало" и "конец".

Команды помещаются в конец буфера. По завершению команды ее резуль­тат заносится в заранее предписанный ей элемент очереди, независимо от места в очереди, занимаемого этим элементом. К моменту достижения командой на­чала буфера, если она была исполнена, ее результат помещается в регистровый файл, а сама команда удаляется. Команда, находящаяся в буфере и не исполненная в виду отсутствия значения операнда, остается в нем вплоть до получе­ния этого значения. Одновременно может выбираться из очереди или поме­щаться в нее несколько команд, однако всегда соблюдается дисциплина FIFO.

Значение логического регистра может быть размещено либо в физиче­ском регистре, либо в переупорядочивающем буфере. В момент декодиро­вания команды значению ее результата сопоставляется соответствующая результату позиция упорядоченной тройки команды в элементе переупо­рядочивающего буфера, в котором размещается рассматриваемая декоди­рованная команда, и делается отметка в таблице соответствия значений, которая указывает, что значение результата может быть найдено в соот­ветствующем элементе буфера. Поля источников и результата команды используются для доступа к полям таблицы. Таблица показывает, что со­ответствующий регистр содержит требуемую величину либо она может быть найдена в переупорядочивающем буфере. Когда переупорядочиваю­щий буфер полон, диспетчеризация команд приостанавливается.

Рассмотрим выполнение переименования на примере команды sub r3,r3,5. Пусть значение г3 находится или будет находиться в переупорядочивающем буфере в элементе 6. Регистр г3 как источник заменяется на соответствую­щее поле результата элемента 6 буфера. Команда sub помещается в конец переупорядочивающего буфера, например, в элемент 7. Этот номер затем записывается в таблицу для использования командами-потребителями ре­зультата. Следует заметить, что переупорядочивающий буфер фактически вводит потоковую модель вычислений по готовности операндов.

Независимо от способа переименования в суперскалярном процессоре устраняются лишние зависимости по данным.