1.9 Усовершенствованное устройство предсказания ветвлений

Усовершенствование устройств предсказания ветвлений необходимо, чтобы не снизилось количество выполняемых за цикл инструкций в ситуациях, когда предсказания затруднительны, ведь конвейер все же стал длиннее - на целых 20 процентов. Ведь в результате неправильного предсказания, Hammer проделывает на 20 процентов больше работы, чем К7. Это так же одна из причин, почему в Hammer должно быть улучшено устройство предсказания ветвлений.

Intel решила эту проблему - был создан кэш с отслеживаниями (trace cache). В нем хранятся декодированные инструкции, причем в том порядке, в каком они должны быть выполнены. Поэтому, в случае неправильного предсказания, не будет тратиться время на повторное декодирование инструкций. Этот кэш прекрасно справляется со своими обязанностями при небольших, непостоянных нагрузках, но AMD быстро выявила ситуацию, когда такой кэш с отслеживаниями становится неэффективным - при больших нагрузках. Большими нагрузками AMD считает те, когда обрабатываются большие объемы информации - например, к ним относятся научные расчеты. Большую нагрузку могут обеспечить и несколько небольших, но работающих одновременно программ. Например, это может быть что-то вроде сервера баз данных, параллельно выполняющего множество небольших транзакций.

В Hammer AMD существенно доработала устройство предсказания ветвлений Athlon. Массив конечных ветвей (branch taget array) все так же ограничен 2K вхождениями, стек возврата (return stack) тоже остался на 12 записей, но само устройство предсказания было существенно изменено. Переключатели ветвлений (branch selectors) представляют собой биты, хранящиеся в кэше L1 (они содержат информацию о том, где в коде находятся ветвления и к какому типу они относятся). У этих переключателей имеется ещё один бит, указывающий на то, является ли ветвь статичной, и таким образом, позволяющий процессору предсказывать её статически. Статическая ветвь - это та ветвь, результат которой почти всегда известен, например, это ветвление на коды ошибок в программе, которое почти всегда можно предсказать с высокой вероятностью. Это позволяет общему накопителю инструкций (здесь хранится история предсказаний, улучшающая последующие предсказания) не замусориваться лишней информацией.

Рассмотрим кусочек логики, на которой работает устройство предсказания ветвлений Hammer - это вычислитель адреса ветвей (Branch Target Address Calculator, BTAC). Но сначала, исследуем, как поступает Itanium, когда ему встречается несколько условных переходов. Itanium -мощный процессор, поэтому вместо предсказания ветвления он одновременно вычисляет куски кода, соответствующие обоим результатам ветвления. В конце концов, оно выбирает правильные данные, и отбрасывает ненужные. Например, предположим, оптимизированный компилятор Itanium получает следующие инструкции:

...

3*4

Загрузить данные из адреса памяти A в регистр 5

Если значение регистра пять отрицательное, тогда выполняются инструкции Case 1, в противном случае выполняются инструкции Case 2

Case 1:

12*6

Case 2:

1+1

...

Конечно, наш пример отнюдь не такой сложный, но на нем можно хорошо проиллюстрировать работу Itanium. Итак, Itanium выполняет оба кода Case 1 и Case 2, определяет значение в регистре R5, и затем просто-напросто отбрасывает ненужное значение. Конечно, нельзя сказать, что архитектура Hammer в корне отличается от конкурента. Но Hammer даже не пытается достичь уровня Itanium в распараллеливании инструкций. Вместо этого, Hammer старается лучше предсказывать результат ветвления. В нашем случае, Hammer попробует вычислить направление ветвления, используя BTAC. На такую операцию тратится около пяти тактов, но при этом значительно улучшается эффективность предсказания благодаря опоре на вычисление ветвления, а не на отгадывание. Как вы можете догадаться, от этого также увеличивается количество выполняемых за цикл инструкций.