Классификация архитектур вычислительных систем

Для иллюстрации основных принципов построения процессоров  мы будем использовать простейшую архитектуру, содержащую 32 целочисленных регистра общего назначения (R0,...,R31), 32 регистра плавающей точки (F0,...,F31) и счетчик команд PC. Будем считать, что набор команд нашего процессора включает типичные арифметические и логические операции, операции с плавающей точкой, операции пересылки данных, операции управления потоком команд и системные операции. В арифметических командах используется трехадресный формат, типичный для RISC-процессоров, а для обращения к памяти используются операции загрузки и записи содержимого регистров в память.

Выполнение типичной команды можно разделить на следующие  этапы:

выборка команды - IF (по адресу, заданному счетчиком команд, из памяти извлекается команда);

декодирование команды / выборка операндов из регистров - ID;

выполнение  операции / вычисление эффективного адреса памяти - EX;

обращение к  памяти - MEM;

запоминание результата - WB.

Чтобы конвейеризовать  эту схему, мы можем просто разбить  выполнение команд на указанные выше этапы, отведя для выполнения каждого этапа один такт синхронизации, и начинать в каждом такте выполнение новой команды. Естественно, для хранения промежуточных результатов каждого этапа необходимо использовать регистровые станции. Хотя общее время выполнения одной команды в таком конвейере будет составлять пять тактов, в каждом такте аппаратура будет выполнять в совмещенном режиме пять различных команд.

Работу конвейера можно  условно представить в виде временной  диаграммы, на которых обычно изображаются выполняемые команды, номера тактов и этапы выполнения команд.

Конвейеризация увеличивает  пропускную способность процессора (количество команд, завершающихся  в единицу времени), но она не сокращает  время выполнения отдельной команды. В действительности, она даже несколько  увеличивает время выполнения каждой команды из-за накладных расходов, связанных с управлением регистровыми станциями. Однако увеличение пропускной способности означает, что программа будет выполняться быстрее по сравнению с простой неконвейерной схемой.

Тот факт, что время  выполнения каждой команды в конвейере не уменьшается, накладывает некоторые ограничения на практическую длину конвейера. Кроме ограничений, связанных с задержкой конвейера, имеются также ограничения, возникающие в результате несбалансированности задержки на каждой его ступени и из-за накладных расходов на конвейеризацию. Частота синхронизации не может быть выше, а, следовательно, такт синхронизации не может быть меньше, чем время, необходимое для работы наиболее медленной ступени конвейера. Накладные расходы на организацию конвейера возникают из-за задержки сигналов в конвейерных регистрах (защелках) и из-за перекосов сигналов синхронизации. Конвейерные регистры к длительности такта добавляют время установки и задержку распространения сигналов. В предельном случае длительность такта можно уменьшить до суммы накладных расходов и перекоса сигналов синхронизации, однако при этом в такте не останется времени для выполнения полезной работы по преобразованию информации.

В качестве примера рассмотрим неконвейерную машину с пятью  этапами выполнения операций, которые имеют длительность 50, 50, 60, 50 и 50 нс соответственно (рис. 5). Пусть накладные расходы на организацию конвейерной обработки составляют 5 нс. Тогда среднее время выполнения команды в неконвейерной машине будет равно 260 нс. Если же используется конвейерная организация, длительность такта будет равна длительности самого медленного этапа обработки плюс накладные расходы, т.е. 65 нс. Это время соответствует среднему времени выполнения команды в конвейере. Таким образом, ускорение, полученное в результате конвейеризации, будет равно:

Среднее время выполнения команды  в неконвейерном режиме           260

Среднее время  выполнения команды в конвейерном  режиме               65        = 4

Конвейеризация эффективна только тогда, когда загрузка конвейера близка к полной, а скорость подачи новых команд и операндов соответствует максимальной производительности конвейера. Если произойдет задержка, то параллельно будет выполняться меньше операций и суммарная производительность снизится.

Рис. 5 Эффект конвейеризации при выполнении 3-х команд - четырехкратное ускорение

При реализации конвейерной  обработки возникают ситуации, которые  препятствуют выполнению очередной команды из потока команд в предназначенном для нее такте. Такие ситуации называются конфликтами. Конфликты снижают реальную производительность конвейера, которая могла бы быть достигнута в идеальном случае. Существуют три класса конфликтов:

• Структурные конфликты, которые возникают из-за конфликтов по ресурсам, когда аппаратные средства не могут поддерживать все возможные комбинации команд в режиме одновременного выполнения с совмещением.
• Конфликты по данным, возникающие в случае, когда выполнение одной команды зависит от результата выполнения предыдущей команды.
• Конфликты по управлению, которые возникают при конвейеризации команд переходов и других команд, которые изменяют значение счетчика команд.

Конфликты в конвейере  приводят к необходимости приостановки выполнения команд (pipeline stall). Обычно в  простейших конвейерах, если приостанавливается какая-либо команда, то все следующие за ней команды также приостанавливаются. Команды, предшествующие приостановленной, могут продолжать выполняться, но во время приостановки не выбирается ни одна новая команда.

Устранение конфликтов по данным

Многие современные  компиляторы используют технику  планирования команд для улучшения  производительности конвейера. В простейшем алгоритме компилятор просто планирует распределение команд в одном и том же базовом блоке. Базовый блок представляет собой линейный участок последовательности программного кода, в котором отсутствуют команды перехода, за исключением начала и конца участка (переходы внутрь этого участка тоже должны отсутствовать). Планирование такой последовательности команд осуществляется достаточно просто, поскольку компилятор знает, что каждая команда в блоке будет выполняться, если выполняется первая из них, и можно просто построить граф зависимостей этих команд и упорядочить их так, чтобы минимизировать приостановки конвейера. Для простых конвейеров стратегия планирования на основе базовых блоков вполне удовлетворительна. Однако когда конвейеризация становится более интенсивной и действительные задержки конвейера растут, требуются более сложные алгоритмы планирования.

К счастью, существуют аппаратные методы, позволяющие изменить порядок выполнения команд программы так, чтобы минимизировать приостановки конвейера. Эти методы получили общее название методов динамической оптимизации (в англоязычной литературе в последнее время часто применяются также термины "out-of-order execution" - неупорядоченное выполнение и "out-of-order issue" - неупорядоченная выдача). Основными средствами динамической оптимизации являются:

• Размещение схемы обнаружения конфликтов в возможно более низкой точке конвейера команд так, чтобы позволить команде продвигаться по конвейеру до тех пор, пока ей реально не потребуется операнд, являющийся также результатом логически более ранней, но еще не завершившейся команды. Альтернативным подходом является централизованное обнаружение конфликтов на одной из ранних ступеней конвейера.
• Буферизация команд, ожидающих разрешения конфликта, и выдача последующих, логически не связанных команд, в "обход" буфера. В этом случае команды могут выдаваться на выполнение не в том порядке, в котором они расположены в программе, однако аппаратура обнаружения и устранения конфликтов между логически связанными командами обеспечивает получение результатов в соответствии с заданной программой.
• Соответствующая организация коммутирующих магистралей, обеспечивающая засылку результата операции непосредственно в буфер, хранящий логически зависимую команду, задержанную из-за конфликта, или непосредственно на вход функционального устройства до того, как этот результат будет записан в регистровый файл или в память (short-circuiting, data forwarding, data bypassing - методы, которые были рассмотрены ранее).

Еще одним аппаратным методом минимизации конфликтов по данным является метод переименования регистров (register renaming). Он получил свое название от широко применяющегося в компиляторах метода переименования - метода размещения данных, способствующего сокращению числа зависимостей и тем самым увеличению производительности при отображении необходимых исходной программе объектов (например, переменных) на аппаратные ресурсы (например, ячейки памяти и регистры).

При аппаратной реализации метода переименования регистров выделяются логические регистры, обращение к которым выполняется с помощью соответствующих полей команды, и физические регистры, которые размещаются в аппаратном регистровом файле процессора. Номера логических регистров динамически отображаются на номера физических регистров посредством таблиц отображения, которые обновляются после декодирования каждой команды. Каждый новый результат записывается в новый физический регистр. Однако предыдущее значение каждого логического регистра сохраняется и может быть восстановлено в случае, если выполнение команды должно быть прервано из-за возникновения исключительной ситуации или неправильного предсказания направления условного перехода.

В процессе выполнения программы  генерируется множество временных  регистровых результатов. Эти временные значения записываются в регистровые файлы вместе с постоянными значениями. Временное значение становится новым постоянным значением, когда завершается выполнение команды (фиксируется ее результат). В свою очередь, завершение выполнения команды происходит, когда все предыдущие команды успешно завершились в заданном программой порядке.

Методы устранения конфликтов по управлению

Конфликты по управлению могут вызывать даже большие потери производительности конвейера, чем  конфликты по данным. Когда выполняется команда условного перехода, она может либо изменить, либо не изменить значение счетчика команд. Если команда условного перехода заменяет счетчик команд значением адреса, вычисленного в команде, то переход называется выполняемым; в противном случае, он называется невыполняемым.

Простейший метод работы с условными переходами заключается  в приостановке конвейера, как только обнаружена команда условного перехода до тех пор, пока она не достигнет ступени конвейера, которая вычисляет новое значение счетчика команд. Такие приостановки конвейера из-за конфликтов по управлению должны реализовываться иначе, чем приостановки из-за конфликтов по данным, поскольку выборка команды, следующей за командой условного перехода, должна быть выполнена как можно быстрее, как только мы узнаем окончательное направление команды условного перехода.

Например, если конвейер будет приостановлен на три такта на каждой команде условного перехода, то это может существенно отразиться на производительности машины. При частоте команд условного перехода в программах, равной 30% и идеальном CPI, равным 1, машина с приостановками условных переходов достигает примерно только половины ускорения, получаемого за счет конвейерной организации. Таким образом, снижение потерь от условных переходов становится критическим вопросом. Число тактов, теряемых при приостановках из-за условных переходов, может быть уменьшено двумя способами:

• Обнаружением является ли условный переход выполняемым или невыполняемым на более ранних ступенях конвейера.
• Более ранним вычислением значения счетчика команд для выполняемого перехода (т.е. вычислением целевого адреса перехода).

Имеется несколько методов сокращения приостановок конвейера, возникающих из-за задержек выполнения условных переходов. В данном разделе обсуждаются четыре простые схемы, используемые во время компиляции. В этих схемах прогнозирование направления перехода выполняется статически, т.е. прогнозируемое направление перехода фиксируется для каждой команды условного перехода на все время выполнения программы. После обсуждения этих схем мы исследуем вопрос о правильности предсказания направления перехода компиляторами, поскольку все эти схемы основаны на такой технологии. В следующей главе мы рассмотрим более мощные схемы, используемые компиляторами (такие, например, как разворачивание циклов), которые уменьшают частоту команд условных переходов при реализации циклов, а также динамические, аппаратно реализованные схемы прогнозирования.