- •Введение
- •1. Общие требования, предъявляемые к современным компьютерам
- •1.1. Отношение стоимость/производительность
- •1.2. Надежность и отказоустойчивость
- •1.3. Масштабируемость
- •1.4. Совместимость и мобильность программного обеспечения
- •2. Классификация компьютеров по областям применения
- •2.1. Персональные компьютеры и рабочие станции
- •2.3. Серверы
- •2.4. Мейнфреймы
- •2.5. Кластерные архитектуры
- •3. Оценка производительности вычислительных систем
- •3.1. Общие замечания
- •3.6.1. Тесты tpc
- •3.6.2. Тест tpc-a
- •3.6.3. Тест tpc-b
- •3.6.4. Тест tpc-c
- •3.6.5. Следующие тесты tpc
- •4. Основные архитектурные понятия
- •4.1. Определение понятия "архитектура"
- •4.2. Архитектура системы команд. Классификация процессоров (cisc и risc)
- •4.3. Методы адресации и типы данных
- •4.3.1. Методы адресации
- •4.3.2. Типы команд
- •4.4. Команды управления потоком команд
- •4.5. Типы и размеры операндов
- •5. Конвейерная организация
- •5.1. Что такое конвейерная обработка
- •5.2. Простейшая организация конвейера и оценка его производительности
- •5.3. Структурные конфликты и способы их минимизации
- •5.4. Конфликты по данным, остановы конвейера и реализация механизма обходов
- •5.5. Классификация конфликтов по данным
- •5.5.1. Конфликты по данным, приводящие к приостановке конвейера
- •5.5.2. Методика планирования компилятора для устранения конфликтов по данным
- •5.6. Сокращение потерь на выполнение команд перехода и минимизация конфликтов по управлению
- •5.7. Снижение потерь на выполнение команд условного перехода
- •5.7.1. Метод выжидания
- •5.7.2. Метод возврата
- •5.7.3. Задержанные переходы
- •5.7.4. Статическое прогнозирование условных переходов: использование технологии компиляторов
- •5.8. Проблемы реализации точного прерывания в конвейере
- •5.9. Обработка многотактных операций и механизмы обходов в длинных конвейерах
- •5.10. Конфликты и ускоренные пересылки в длинных конвейерах
- •5.11. Поддержка точных прерываний
- •6.Конвейерная и суперскалярная обработка
- •6.1. Параллелизм на уровне выполнения команд, планирование загрузки конвейера и методика разворачивания циклов
- •6.2. Параллелизм уровня команд: зависимости и конфликты по данным
- •6.3. Зависимости
- •6.4. Параллелизм уровня цикла: концепции и методы
- •6.5. Основы планирования загрузки конвейера и разворачивание циклов
- •6.6. Устранение зависимостей по данным и механизмы динамического планирования
- •6.6.1. Основная идея динамической оптимизации
- •6.6.2. Динамическая оптимизация с централизованной схемой обнаружения конфликтов
- •6.6.3. Другой подход к динамическому планированию - алгоритм Томасуло
- •6.7. Аппаратное прогнозирование направления переходов и снижение потерь на организацию переходов
- •6.7.1. Буфера прогнозирования условных переходов
- •6.7.2. Дальнейшее уменьшение приостановок по управлению: буфера целевых адресов переходов
- •6.8. Одновременная выдача нескольких команд для выполнения и динамическое планирование
- •6.8.1. Суперскалярные машины
- •6.8.2. Архитектура машин с длинным командным словом
- •6.9. Обнаружение и устранение зависимостей компилятором и разворачивание циклов
- •6.9.1. Обнаружение и устранение зависимостей
- •6.9.2. Программная конвейеризация: символическое разворачивание циклов
- •6.10. Аппаратные средства поддержки большой степени распараллеливания
- •6.10.1. Условные команды
- •6.10.2. Выполнение по предположению (speculation)
- •Список использованных источников
5.7.3. Задержанные переходы
Следующая схема, которая используется в некоторых машинах называется "задержанным переходом". В задержанном переходе такт выполнения с задержкой перехода длиной n приведен на рис. 5.5.
Рис. 5.5. Такт выполнения с задержкой перехода
Команды 1 - n находятся в слотах (временных интервалах) задержанного перехода. Задача программного обеспечения заключается в том, чтобы сделать команды, следующие за командой перехода, действительными и полезными. Аппаратура гарантирует реальное выполнение этих команд перед выполнением собственно перехода. Здесь используются несколько приемов оптимизации.
На рис. 5.6 показаны три случая, при которых может планироваться задержанный переход. В верхней части рисунка для каждого случая показана исходная последовательность команд, а в нижней части - последовательность команд, полученная в результате планирования. В случае (а) слот задержки заполняется независимой командой, находящейся перед командой условного перехода. Это наилучший выбор. Стратегии (b) и (c) используются, если применение стратегии (a) невозможно.
Рис. 5.6. Требования к переставляемым командам при планировании задержанного перехода
В последовательностях команд для случаев (b) и (c) использование содержимого регистра R1 в качестве условия перехода препятствует перемещению команды ADD (которая записывает результат в регистр R1) за команду перехода. В случае (b) слот задержки заполняется командой, находящейся по целевому адресу команды перехода. Обычно такую команду приходится копировать, поскольку к ней возможны обращения и из других частей программы. Стратегии (b) отдается предпочтение, когда с высокой вероятностью переход является выполняемым, например, если это переход на начало цикла.
Наконец, слот задержки может заполняться командой, находящейся между командой невыполняемого перехода и командой, находящейся по целевому адресу, как в случае (c). Чтобы подобная оптимизация была законной, необходимо, чтобы можно было все-таки выполнить команду SUB, если переход пойдет не по прогнозируемому направлению. При этом мы предполагаем, что команда SUB выполнит ненужную работу, но вся программа при этом будет выполняться корректно. Это, например, может быть в случае, если регистр R4 используется только для временного хранения промежуточных результатов вычислений, когда переход выполняется не по прогнозируемому направлению.
Табл. 5.10 показывает различные ограничения для всех этих схем планирования условных переходов, а также ситуации, в которых они дают выигрыш. Компилятор должен соблюдать требования при подборе подходящей команды для заполнения слота задержки. Если такой команды не находится, слот задержки должен заполняться пустой операцией.
Таблица 5.10
Частота заполнения одного слота задержки условного перехода
Рассматриваемый случай |
Требования |
Когда увеличивается производительность |
(a) |
Команда условного перехода не должна зависеть от переставляемой команды |
Всегда |
(b) |
Выполнение переставляемой команды должно быть корректным, даже если переход не выполняется. Может потребоваться копирование команды |
Когда переход выполняется. Может увеличивать размер программы в случае копирования команды |
(c) |
Выполнение переставляемой команды должно быть корректным, даже если переход выполняется |
Когда переход не выполняется |
Планирование задержанных переходов осложняется (1) наличием ограничений на команды, размещение которых планируется в слотах задержки и (2) необходимостью предсказывать во время компиляции, будет ли условный переход выполняемым или нет. Рис. 5.7 дает общее представление об эффективности планирования переходов для простейшего конвейера с одним слотом задержки перехода при использовании простого алгоритма планирования. Он показывает, что больше половины слотов задержки переходов оказываются заполненными. При этом почти 80% заполненных слотов оказываются полезными для выполнения программы. Это может показаться удивительным, поскольку условные переходы являются выполняемыми примерно в 53% случаев. Высокий процент использования заполненных слотов объясняется тем, что примерно половина из них заполняется командами, предшествовавшими команде условного перехода (стратегия (a)), выполнение которых необходимо независимо от того, выполняется ли переход, или нет.
Рис. 5.7. Эффективность планирования переходов для простейшего конвейера
Имеются небольшие дополнительные затраты аппаратуры на реализацию задержанных переходов. Из-за задержанного эффекта условных переходов, для корректного восстановления состояния в случае появления прерывания нужны несколько счетчиков команд (один плюс длина задержки).