ВС для ГОС (ПИ) / Орлов, Цилькер - Организация ЭВМ (2004)

4 1 6 Глава 9. Основные направления в архитектуре процессоров

Еще одной метрикой, характеризующей конвейерный процессор, является эффективность Е — доля ускорения, приходящаяся на одну ступень конвейера:

Вкачестветретьейметрикичастовыступаетпропускнаяспособностьилипроизводительность Р — эффективность, деленная на длительность тактового периода:

Приэффективность стремится к единице, а производительность — к частоте тактирования конвейера:

Нелинейные конвейеры

Конвейер не всегда представляет собой линейную цепочку этапов. В ряде ситуаций оказывается выгодным, когда функциональные блоки соединены между собой не последовательно, а в соответствии с логикой обработки, при этом одни блоки в цепочке могут пропускаться, а другие — образовывать циклические структуры. Это позволяет с помощью одного и того же конвейера одновременно вычислять более одной функции, однако если эти функции конфликтуют между собой, то такой конвейер трудно загрузить полностью! Структура нелинейного конвейера, одновременно вычисляющего две функции X и Y, приведена на рис. 9.2. Там же показана последовательность, в которой функциями X и У востребуются те или иные функциональные блоки.

Рис.9.2.Нелинейныйконвейер

Чтобы определить, когда пора приступать к повторному вычислению той или иной функции, необходимо построить диаграмму однократной реализации этой функции и отследить по ней моменты, когда такой запуск не приведет к конфликту, связанному с одновременным обращением к одному и тому же функциональному блоку.

Так, в ходе реализации функции X запуск очередного ее вычисления возможен после 1,3 и 6 тактов. Запуск параллельного вычисления функции Увозможен после

в

Рис- 9.4. Конфликты поданным: а — «Чтение после записи»; б — -Запись после чтения-; в — «Запись после записи»

Наиболее частый вид конфликтов по данным — ЧПЗ, поскольку операция чтения в цикле команды (этап ВО) предшествует операции записи (этап ЗР). По той же причине конфликты типа ЗПЧ большой проблемы не представляют. Сложности появляются, только если структура конвейера допускает запись прежде чтения или если команды в конвейере обрабатываются в последовательности, отличной от предписанной программой. Такое возможно, если командам в конвейере разрешается «догонять» предшествующие им команды, приостановленные из-за како- го-то конфликта. Конфликт типа ЗПЗ также не вызывает особых проблем в конвейерах, где команды следуют в порядке, определенном программой, и могут производить запись только на этапе ЗР. В худшем случае, когда одна команда догоняет другую из-за приостановки последней, имеет место конфликт по ресурсу — попытка одновременного доступа к одной и той же ячейке.

В борьбе с конфликтами по данным выделяют два аспекта: своевременное обнаружение потенциального конфликта и его устранение. Признаком возникновения конфликта по данным между двумя командами i и j служит невыполнение хотя бы одного из трех условий Бернстейна (Bernstein's Conditions):

Где O(k) — множество ячеек, изменяемых командой k; 1(1) — множество ячеек, читаемых командой l; Критерий может быть распространен и на большее число команд: для трех команд подобных уравнений будет 9, для четырех команд — 18 (по три на каждую пару). Соблюдение соотношений является достаточным, но не необходимым ус-

ловием, поскольку в ряде случаев коллизий может и не быть.

Для борьбы с конфликтами по данным применяются как программные, так и аппаратные методы.

Программные методы ориентированы на устранение самой возможности конфликтов еще на стадии компиляции программы. Оптимизирующий компилятор пытается создать такой объектный код, чтобы между командами, склонными к

4 2 0 Глава 9. Основныенаправления вархитектурепроцессоров

конфликтам, находилась достаточное количество нейтральных в этом плане команд. Если такое не удается, то между конфликтующими командами компилятор вставляет необходимое количество команд типа «Нет операции»,

Фактическое разрешение конфликтов возлагается на аппаратные методы. Наиболее очевидным решением является остановка команды; на несколько тактов с тем, чтобы команда i успела завершиться или, по крайней мере, миновать ступень конвейера, вызвавшую конфликт. Соответственно задерживаются и команды, следующие в конвейере за j-й командой. Данную ситуацию называют «пузырьком» в конвейере. Иногда приостанавливают только команду j, не задерживая следующие за ней команды. Это более эффективный прием, но его реализация усложняет конвейер.

Понятно, что остановки конвейера снижают его эффективность и разработчики ВМ всячески стремятся сократить общее число остановок или хотя бы их длительность. Поскольку наиболее частые конфликты по данным — это ЧПЗ, основные усилия тратятся на противодействие именно этому типу конфликтов. Среди известных методов борьбы с ЧПЗ наибольшее распространение получил прием ускоренного продвижения информации (forwarding). Обычно между двумя соседними ступенями конвейера располагается буферный регистр, через который предшествующая ступень передает результат своей работы на последующую ступень, то есть передача информации возможна лишь между соседними ступенями конвейера. При ускоренном продвижении, когда для выполнения команды требуется операнд, уже вычисленный предыдущей командой, этот операнд может быть получен непосредственно из соответствующего буферного регистра, минуя все промежуточные ступени конвейера. С данной целью в конвейере предусматриваются дополнительные тракты пересылки информации (тракты опережения, тракты обхода), снабженные средствами мультиплексирования.

Наибольшие проблемы при создании эффективного конвейера обусловлены командами,изменяющимиестественный порядоквычислений1. Простейшийконвейер ориентирован на линейные программы. В нем ступень выборки извлекает команды из последовательных ячеек памяти, используя для этого счетчик команд (СК). Адрес очередной команды в линейной программе формируется автоматически, за счет прибавления к содержимому СК числа, равного длине текущей ко- В них обязательно присутствуют команды управления, изменяющие последовавозврат из процедуры и т. п. Доля подобных команд в программе оценивается как 10-20% (по некоторым источникам она существенно больше). Выполнение команд, изменяющих последовательность вычислений (в дальнейшем будем их называть командами перехода), может приводить к приостановке конвейера на несколько тактов, из-за чего производительность процессора снижается. Приостановки конвейера при выполнении команд перехода обусловлены двумя факторами.

1В фон-неймановской ВМ команды размещаются в ячейках памяти и извлекаются для выполнения

втом же порядке, в каком они следуют в программе. Такую последовательность выполнения команд программы называют естественной.

Конвейеризация вычислений 4 2 1

Первый фактор характерен для любой команды перехода и связан с выборкой команды из точки перехода (по адресу, указанному в команде перехода). То, что текущая команда относится к командам перехода, становится ясным только после декодирования (после прохождения ступени декодирования), то есть спустя два такта от момента поступления Команды на конвейер. За это время на первые ступени конвейера уже поступят новые команды, извлеченные в предположении, что естественный порядок вычислений не будет нарушен. В случае перехода эти ступени нужно очистить и загрузить в конвейер команду, расположенную по адресу перехода, для чего нужен исполнительный адрес последней. Поскольку в командах перехода обычно указаны лишь способ адресации и адресный код, исполниступени конвейера. Таким образом, реализация перехода в конвейере требует определенных дополнительных операций, выполнение которых равносильно остановке конвейера как минимум на два такта.

Вторая причина нарушения ритмичности работы конвейера имеет отношение только к командам условного перехода. Для пояснения сути проблемы воспользуемся ранее приведенной условной программой рис. 9.3), несколько изменив постановку задачи (рис. 9.5).

Рис. 9.5. Влияние условного перехода на работу конвейера команд

Пусть команда 3 — это условный переход к команде 15. До завершения команды 3 невозможно определить, какая из команд (4-я или 15-я) должна выполняться следующей, поэтому конвейер просто загружает следующую команду в последовательности (команду 4) и продолжает свою работу. В варианте, показанном на рис. 9.3, переход не произошел и получена максимально возможная производительность. На рис. 9.5 переход имеет место, о чем неизвестно до 7-го шага. В этой точке конвейер должен быть очищен от ненужных команд, выполнявшихся до данного момента. Лишь на шаге 8 на конвейер поступает нужная команда 15, из-за чего в течение тактов от 9 до 12 не будет завершена ни одна другая команда. Это и есть издержки из-за невозможности предвидения исхода команды условного

4 2 2 Глава9. Основные направления вархитектурепроцессоров

перехода. Как видно, они либо существенно больше, чем для прочих команд перехода (если переход происходит), либо отсутствуют вовсе (если переход не происходит).

Для сокращений задержек, обусловленных выборкой команды из точки перехода, применяются несколько подходов:

»вычисление исполнительного адреса перехода на ступени декодирования команды;

-использование буфера адресов перехода;

-использование кэш-памяти для хранения команд, расположенных в точке перехода;

-использование буфера цикла.

Врезультатедекодирования команды выясняется не только ее принадлежность к командам перехода, но также способ адресации и адресный код точки перехода. Это позволяет сразу же приступить к вычислению исполнительного адреса перехода, не дожидаясь передачи команды на третью ступень конвейера, и тем самым сократить время остановки конвейера с двух тактов до одного. Для реализации этой идеи в состав ступени декодирования вводятся дополнительные сумматоры, с помощью которых и вычисляется исполнительный адрес точки перехода.

Буфер адресов перехода (ВТВ, Branch Target Buffer) представляет собой кэшпамять небольшой емкости, в которой хранятся исполнительные адреса точек перехода нескольких последних команд, для которых переход имел место. В роли тегов выступают адреса соответствующих команд. Перед выборкой очередной команды ее адрес (содержимое счетчика команд) сравнивается с адресами команд, представленных в ВТВ. Для команды, найденной в буфере адресов перехода, исполнительный адрес точки перехода не вычисляется, а берется из ВТВ, благодаря чему выборка команды из точки перехода может быть начата на один такт раньше. Команда, ссылка на которую в ВТВ отсутствует, обрабатывается стандартным образом. Если это команда перехода, то полученный при ее выполнении исполнительный адрес точки перехода заносится в ВТВ, при условии, что команда завершилась переходом. При замещении информации в ВТВ обычно применяется алгоритмLRU.

Применение ВТВ дает наибольший эффект, когда отдельные команды перехода в программе выполняются многократно, что типично для циклов. Обычно ВТВ используется не самостоятельно, а в составе других, более сложных схем компенсации конфликтов по управлению.

Кэш-память команд, расположенных в точке перехода (BTIC, Branch Target Instruction Cache), — это усовершенствованный вариант ВТВ, где в кэш-память помимо исполнительного адреса команды в точке перехода записывается также и код этой команды. За счет увеличения емкости кэш-памяти BTIC позволяет при повторном выполнении команды перехода исключить не только этап вычисления исполнительного адреса точки перехода, но и этап выборки расположенной там команды. Преимуществаданного подхода в наибольшей степени проявляются при многократном исполнении одних и тех же команд перехода, главным образом при реализации программных циклов.

Конвейеризация вычислений 4 2 3

Буфер цикла представляет собой маленькую быстродействующую память, входящую в состав первой ступени конвейера, где производится выборка команд. В буфере сохраняются коды « последних команд в той последовательности, в которой они выбирались. Когда имеет место переход, аппаратура сначала проверяет, нетли нужной команды в буфере, и если это так, то команда извлекается из буфера. Стратегия наиболее эффективна при реализации циклов и итераций, чем и объясняется название буфера Если буфер достаточно велик, чтобы охватить все тело цикла, выборку команд из памяти достаточно выполнить только один раз в первой итерации, поскольку необходимые для последующих итераций команды уже находятся в буфере.

По принципу использования буфер цикла похож на BTIC, с той разницей, что в нем сохраняется последовательность выполнения команд, а сам буфер меньше по емкости и дешевле.

Среди ВМ, где реализован буфер цикла, можно упомянуть некоторые вычислительные машины фирмы CDC (Star 100,6600,7600) и суперЭВМ CRAY-1. Специализированная версия буфера цикла имеется и в микропроцессоре Motorola 68010, где он используется для особых циклов, включающих в себя команду «Уменьшение и переход по условию».

Методы решения проблемы условного перехода

Несмотря на важность аспекта вычисления исполнительного адреса точки перехода, основные усилия проектировщиков ВМ направлены на решение проблемы условных переходов, поскольку именно последние приводятк наибольшим издержкам в работе конвейера. Для устранения или частичного сокращения этих издержек были предложены различные способы, которые условно можно разделить на четыре группы:

-буферы предвыборки;

-множественные потоки;

-задержанный переход;

-предсказание перехода.

Равномерность поступления команд на вход конвейера часто нарушается, например из-за занятости памяти или при выборке команд, состоящих из нескольких слов. Чтобы добиться ритмичности подачи команд на вход конвейера, между ступенью выборки команды и остальной частью конвейера часто размещают буферную память, организованную по принципу очереди (FIFO) и называемую буфером предвыборки. Буфер предвыборки можно рассматривать как несколько дополнительных ступеней конвейера. Подобное удлинение конвейера несказывается на его производительности (при заданной тактовой частоте); оно лишь приводит к увеличению времени прохождения команды через конвейер. Типичные буферы предвыборки в известных процессорах рассчитаны на 2-8 команд.

Чтобы одновременно с обеспечением ритмичной работы конвейера решить и проблему условных переходов, в конвейер включают два таких буфера (рис. 9.6).

Каждая извлеченная из памяти и помещенная в основной буфер команда анализируется блоком перехода. При обнаружении команды условного перехода (УП)

4 2 4 Глава 9. Основные направления вархитектуре процессоров

Рис. 9.6. Конвейер с буферами предвыборки команд

блок перехода вычисляет исполнительный адрес точки перехода и параллельно с продолжением последовательной выборки в основной буфер организует выборку в дополнительный буфер команд, начиная с точки УП. Далее блок перехода определяет исход команды УП, в зависимости от которого подключает к остатку конвейера нужный буфер, при этом содержимое другого буфера сбрасывается. Упрощенный вариант подобного подхода применен в IBM 360/91, где дополнительный буфер рассчитан на одну команду, то есть выигрыш достигается за счет исключения времени на выборку команды из точки перехода.

Помимо необходимости дублирования части оборудования, у метода имеется еще один недостаток. Так, если в потоке команд несколько команд УП следуют одна за другой или находятся достаточно близко, количество возможных ветвлений увеличивается и, соответственно, должно быть увеличено и число буферов предвыборки.

Другим решением проблемы переходов служит дублирование начальных ступеней конвейера и создание тем самым двух параллельных потоков команд (рис. 9.7).

Рис. 9.7. Конвейер с множественными потоками

В одной из ветвей такого «раздвоенного» конвейера последовательность выборки и выполнения команд соответствует случаю, когда условие перехода не выполнилось, во второй ветви — случаю выполнения этого условия. Для ранее рассмотренного примера (см. рис. 9,5) в одном из потоков может обрабатываться последовательность команд 4-6, а в другом— 15-17. Оба потока сходятся в точке,

Конвейеризация вычислений 4 2 5

где итог проверки условия перехода становится очевидным. Дальнейшее продвижение по конвейеру продолжает только «правильный» поток. Основной недостаток метода состоит в том, что на конвейер или в поток может поступить новая команда УП до того, как будет принято окончательное решение по текущей команде перехода. Каждая такая команда требует дополнительного потока. Несмотря на это, стратегия позволяет улучшить производительность конвейера. Примерами ВМ, где используются два или более конвейерных потоков, служат IBM 370/168 и IBM 3033.

Стратегия задержанного перехода предполагает продолжение выполнения команд, следующих за командой УП, вне зависимости от ее исхода. Естественно, что это имеет смысл, лишь когда последующие команды являются «полезными», то есть такими, которые все равно должны быть когда-то выполнены, независимо от того, происходит переход или нет, и если команда перехода никак не влияет на результат их выполнения.

Для реализации этой идеи на этапе компиляции программы после каждой команды перехода вставляется команда «Нет операции». Затем на стадии оптимизации программы производятся попытки «перемешать» команды таким образом, чтобы по возможности большее количество команд «Нетоперации»-заменить «полезными» командами программы. Разумеется, замещать команду «Нет операции» можно лишь на такую, которая не влияет на условие выполняемого перехода, иначе полученная последовательность команд не будет функционально эквивалентной исходной. В оптимизированной программе удается заменить более 20% команд «Нет операции» [120].

Предсказание переходов

Предсказание переходов на сегодняшний день рассматривается как один из наиболее эффективных способов борьбы с конфликтами по управлению. Идея заключается в том, что еще до момента выполнения команды условного перехода или сразу же после ее поступления на конвейер делается предположение о наиболее вероятном исходе такой команды (переход произойдет или не произойдет). Последующие команды подаются на конвейер в соответствии с предсказанием. Для иллюстрации вернемся к примеру (см. рис. 9.5), где команда 3 является командой УП. Пусть для команды 3 предсказано, что переход не произойдет. Тогда вслед за командой 3 на конвейер будут поданы команды 4-6 и т. д. Если предсказан переход, то после команды 3 на конвейер подаются команды 15-17,... При ошибочном предсказании конвейер необходимо вернуть к состоянию, с которого началась выборка «ненужных» команд (очистить начальные ступени конвейера), и приступить к загрузке, начиная с «правильной» точки, что по эффекту эквивалентно приостановке конвейера. Цена ошибки может оказаться достаточно высокой, но при правильных предсказаниях крупен и выигрыш — конвейер функционирует ритмично без остановок и задержек, причем выигрыш тем больше, чем выше точность предсказания. Термин «точность предсказаниям »в дальнейшем будем трактовать как процентное отношение числа правильных предсказаний к их общему количеству. В работе [70] дается следующая оценка: чтобы снижение производительности конвейера из-за его остановок по причине конфликтов по управлению не превысило 10%, точность предсказания переходов должна быть выше 97,7%.