7.4 Мультитредовые процессоры с тредами, выявляемыми путем анализа потоков данных программы

Примером реализации мультитредового процессора с тредами, выявляемыми путем анализа потоков данных программы, служит микропроцессор Kin. Этот микропроцессор строится как совокупность функциональных блоков, связи между которыми выполняются через FIFO-очереди. Каждый функциональный блок может быть внутри как синхронным (что вполне возможно в силу ограниченного размера блока), так и асинхронным. Последнее достаточно актуально, т.к. существует мнение о том, что микропроцессоры на кристаллах с миллиардом транзисторов и тактовыми частотами на уровне гигагерц не могут быть синхронными. На больших кристаллах время распространения от одного края кристалла до противоположного края любых сигналов, включая тактовые, составляет порядка 3 нс, что при тактовой частоте 2 ГГц занимает 5‑7 тактов. Традиционное решение, основанное на введении сети распределения тактового сигнала, требует много ресурсов и энергии. Например, в микропроцессоре Alpha 40% мощности расходуется на распределение тактового сигнала без скоса (skew) фронтов и неравномерностей (jitter) периодов.

Для понимания функционирования микропроцессора Kin важно то, что блок выбирает из входной очереди элементы по мере их поступления, производит заданные действия и помещает результат в выходную очередь. При такой организации поток команд распространяется между блоками как поток пакетов, содержащих в себе теги и другую необходимую информацию для управления функциональными блоками. Используемая в. Kin модель ILP организации вычислений служит развитием на современном этапе идей потоковых вычислений (data flow).

Основным архитектурным понятием микропроцессора Kin является базисный блок: последовательность команд преобразования данных в регистрах и памяти, завершающаяся командой перехода.

Устройство выборки команд извлекает и декодирует команды очередного базисного блока и размещает этот блок как строку кэш-памяти декодированных команд. Каждая команда получает при этом уникальный динамический тег.

Далее в блоках переименования регистров устраняются лишние WAR- и WAW-зависимости между командами, и команды поступают в блок организации внеочередного исполнения. Из блока внеочередного исполнения команды передаются в резервирующие станции, в которых они ожидают готовности операндов для начала своего исполнения.

Команды с готовыми операндами посылаются резервирующими станциями для исполнения в функциональные блоки: интерпретации команд перехода, интерпретации арифметических, логических команд и команд сдвига, выполнения команд обращения к памяти. Результаты работы функциональных блоков передаются в резервирующие станции, в блок внеочередного исполнения команд и, в случае команд перехода, в блок предвыборки команд.

Описанная организация функционирования микропроцессора Kin обычна для процессоров с внеочередным исполнением команд. Особенность Kin состоит в применении механизма жадной (avid) выборки команд базисных блоков и механизма удаления команд, которые были выбраны при ошибочном предсказании хода вычислений.

Блок предвыборки команд, реализующий предсказание переходов и жадную предвыборку команд, извлекает команды из кэш-памяти декодированных команд и приписывает им динамический тег, содержащий, среди прочего, трассу, которой принадлежит команда. При этом одни и те же команды могут извлекаться многократно. Например, в случае цикла, организуемого командой условного перехода, команды тела цикла многократно извлекаются. При этом они рассматриваются как независимые друг от друга. Одновременно могут извлекаться команды разных кэш-строк памяти декодированных команд. Это и составляет суть жадной предвыборки команд.

При жадной предвыборке команд выбираются команды как по направлению перехода, так и по направлению отсутствия перехода. Поэтому при определении значения предиката команды перехода необходимо устранить результаты неверно предвыбранных команд и сами эти команды. Для этого используются динамический тег, который формируется при выполнении команд перехода. Если команда перехода имела в теге трассу m, то предвыбранные команды одного направления получают трассу m0, а другого направления – трассу m1. Тем самым, появляется возможность при каждом определении направления перехода установить все те команды, которые были ошибочно выбраны. Блок удаления ошибочно выбранных команд рассылает сообщения другим блокам о трассах команд, подлежащих удалению.