Организация параллелизма вычислений в современных процессорах

В процессорах пятого и шестого поколений — Pentium, Pen­tium Pro, Pentium MMX, Pentium II – реализованы различные способы конвейеризации и распараллеливания вычисли­тельных процессов.

Конвейерная обработка – раздельное выполнение некоторой операции в несколько этапов (за несколько ступеней) с передачей данных одного этапа следующему.

Напомним, что суперскалярным называется процессор, который имеет конвейеры (более одного), способные обрабаты­вать инструкции параллельно. Pentium является двухпотоковым процессором (имеет два конвейера), Pentium Pro – трехпотоковым.

Блок-схема процессора Pentium представлена на рис. 10.

Рис. 10. Упрощенная блок-схема процессора Pentium

Микроархитектура этого процессора базируется на идее суперскалярной обработки. Основные команды распределяются по двум независимым исполнительным устройствам (конвейерам U и V). Конвейер U может выполнять любые команды семейства x86, включая целочисленные команды и команды с плавающей точкой. Конвейер V предназначен для выполнения простых целочисленных команд и некоторых команд с плавающей точкой. Команды могут направляться в каждое из этих устройств одновременно, причем при выдаче устройством управления в одном такте пары команд более сложная команда поступает в конвейер U, а менее сложная - в конвейер V. Такая попарная выдача команд возможна, правда, только для ограниченного подмножества целочисленных команд. Команды арифметики с плавающей точкой не могут запускаться в паре с целочисленными командами. Одновременная выдача двух команд возможна только при отсутствии зависимостей по регистрам. При остановке команды по любой причине в одном конвейере, как правило, останавливается и второй конвейер.

Остальные устройства процессора предназначены для снабжения конвейеров необходимыми командами и данными. В процессоре Pentium используется раздельная кэш-память команд и данных емкостью по 8 Кбайт, что обеспечивает независимость обращений. За один такт из каждой кэш-памяти могут считываться два слова. При этом кэш-память данных построена на принципах двухкратного расслоения, что обеспечивает одновременное считывание двух слов, принадлежащих одной строке кэш-памяти. Кэш-память команд позволяет в одном такте считывать два командных слова, принадлежащих либо одной строке, либо смежным строкам для обеспечения попарной выдачи команд.

В современных процессорах используются различные способы увеличения степени параллелизма вычислений. Рассмотрим основные из них.

Динамическое прогнозирование переходов

Простейшей схемой динамического прогнозирования направления условных переходов является буфер прогнозирования условных переходов (branch-prediction buffer) или таблица “истории” условных переходов (branch history table). Буфер прогнозирования условных переходов представляет собой небольшую память, адресуемую с помощью младших разрядов адреса команды перехода. Каждая ячейка этой памяти содержит один бит, который говорит о том, был ли предыдущий переход выполняемым или нет. Это простейший вид такого рода буфера. В нем отсутствуют теги, и он оказывается полезным только для сокращения задержки перехода в случае, если эта задержка больше, чем время, необходимое для вычисления значения целевого адреса перехода. В действительности мы не знаем, является ли прогноз корректным (этот бит в соответствующую ячейку буфера могла установить совсем другая команда перехода, которая имела то же самое значение младших разрядов адреса). Но это не имеет значения. Прогноз – это только предположение, которое рассматривается как корректное, и выборка команд начинается по прогнозируемому направлению. Если же предположение окажется неверным, бит прогноза инвертируется. Конечно, такой буфер можно рассматривать как кэш-память, каждое обращение к которой является попаданием, и производительность буфера зависит от того, насколько часто прогноз применялся и насколько он оказался точным.

Однако простая однобитовая схема прогноза имеет недостаточную производительность. Рассмотрим, например, команду условного перехода в цикле, которая являлась выполняемым переходом последовательно девять раз подряд, а затем однажды невыполняемым. Направление перехода будет неправильно предсказываться при первой и при последней итерации цикла. Неправильный прогноз последней итерации цикла неизбежен, поскольку бит прогноза будет говорить, что переход “выполняемый” (переход был девять раз подряд выполняемым). Неправильный прогноз на первой итерации происходит из-за того, что бит прогноза инвертируется при предыдущем выполнении последней итерации цикла, поскольку в этой итерации переход был невыполняемым. Таким образом, точность прогноза для перехода, который выполнялся в 90% случаев, составила только 80% (2 некорректных прогноза и 8 корректных). В общем случае, для команд условного перехода, используемых для организации циклов, переход является выполняемым много раз подряд, а затем один раз оказывается невыполняемым. Поэтому однобитовая схема прогнозирования будет неправильно предсказывать направление перехода дважды (при первой и при последней итерации).

Для исправления этого положения часто используется схема двухбитового прогноза. В двухбитовой схеме прогноз должен быть сделан неверно дважды, прежде чем он изменится на противоположное значение. На рис. 11 представлена диаграмма состояний двухбитовой схемы прогнозирования направления перехода.

Двухбитовая схема прогнозирования в действительности является частным случаем более общей схемы, которая в каждой строке буфера прогнозирования имеет n-битовый счетчик. Этот счетчик может принимать значения от 0 до 2n-1. Тогда схема прогноза будет следующей:

• Если значение счетчика больше или равно 2n-1(точка на середине интервала), то переход прогнозируется как выполняемый. Если направление перехода предсказано правильно, к значению счетчика добавляется единица (если только оно не достигло максимальной величины); если прогноз был неверным, из значения счетчика вычитается единица.

• Если значение счетчика меньше, чем 2n-1, то переход прогнозируется как невыполняемый. Если направление перехода предсказано правильно, из значения счетчика вычитается единица (если только не достигнуто значение 0); если прогноз был неверным, к значению счетчика добавляется единица.

Рис. 11. Диаграмма состояния двухбитовой схемы прогнозирования

Исследования n-битовых схем прогнозирования показали, что двухбитовая схема работает почти так же хорошо, и поэтому в большинстве систем применяются двухбитовые схемы прогноза, а не n-битовые.

Буфер прогнозирования переходов может быть реализован в виде небольшой специальной кэш-памяти, доступ к которой осуществляется с помощью адреса команды во время стадии выборки команды, или как пара битов, связанных с каждым блоком кэш-памяти команд и выбираемых с каждой командой. Если команда декодируется как команда перехода, и если переход спрогнозирован как выполняемый, выборка команд начинается с целевого адреса, как только станет известным новое значение счетчика команд. В противном случае продолжается последовательная выборка и выполнение команд. Если прогноз оказался неверным, значение битов прогноза меняется в соответствии с рис. 11.

Разворачивание циклов

Разворачивание циклов представляет собой простой, но полезный метод увеличения размера линейного кодового фрагмента, который может эффективно оптимизироваться. Такое разворачивание выполняется путем многократной репликации (повторения) тела цикла и коррекции соответствующего кода конца цикла.

Базовое планирование конвейера

Для поддержания максимальной загрузки конвейера должен использоваться параллелизм уровня команд, основанный на выявлении последовательностей несвязанных команд, которые могут выполняться в конвейере с совмещением. Чтобы избежать приостановки конвейера, зависимая команда должна быть отделена от исходной команды на расстояние в тактах, равное задержке конвейера для этой исходной команды. Способность компилятора выполнять подобное планирование зависит как от степени параллелизма уровня команд, доступного в программе, так и от задержки функциональных устройств в конвейере.

Динамическое планирование с централизованной схемой управления

В конвейере с динамическим планированием выполнения команд все команды проходят через ступень выдачи строго в порядке, предписанном программой (упорядоченная выдача). Однако они могут приостанавливаться и обходить друг друга на второй ступени (ступени чтения операндов) и тем самым поступать на ступени выполнения неупорядоченно. Централизованная схема обнаружения конфликтов представляет собой метод, допускающий неупорядоченное выполнение команд при наличии достаточных ресурсов и отсутствии зависимостей по данным.

Выдача нескольких команд в одном такте

Суперскалярные машины используют параллелизм на уровне команд путем посылки нескольких команд из обычного потока команд в несколько функциональных устройств. В типичной суперскалярной машине аппаратура может осуществлять выдачу от одной до восьми команд в одном такте. Обычно эти команды должны быть независимыми и удовлетворять некоторым ограничениям, например, таким, что в каждом такте не может выдаваться более одной команды обращения к памяти. Если какая-либо команда в потоке команд является логически зависимой или не удовлетворяет критериям выдачи, на выполнение будут выданы только команды, предшествующие данной. Предположим, что машина может выдавать на выполнение две команды в одном такте. Одной из таких команд может быть команда загрузки регистров из памяти, записи регистров в память, команда переходов, операции целочисленного АЛУ, а другой может быть любая операция плавающей точки.

Анализ зависимостей компилятором

Когда направление переходов может прогнозироваться во время компиляции, и компилятор может найти команды, которые он может безопасно перенести на место перед точкой перехода, решение, базирующееся на технологии компилятора, идеально. Эти два условия являются ключевыми ограничениями для выявления параллелизма уровня команд статически с помощью компилятора.

Выполнение по предположению

Машина может иметь в своем составе специальные аппаратные средства поддержки выполнения по предположению. Эта методика позволяет машине выполнять команду, которая может быть зависимой по управлению, и избежать любых последствий выполнения этой команды, если окажется, что в действительности команда не должна выполняться. Механизмы выполнения по предположению позволяют выполнять команду даже до момента оценки условия командой условного перехода, что невозможно при условных командах. Аппаратная поддержка выполнения по предположению достаточно сложна и требует значительных аппаратных ресурсов.

Программная конвейеризация и планирование трасс

Компилятор может реорганизовать последовательность команд так, чтобы избежать приостановок конвейера. Техника, называемая планированием трасс, стала особой областью интереса в 1980-х годах, когда конвейерные машины стали более распространенными. 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. 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.

Динамическое планирование с переименованием регистров

Еще одним аппаратным методом минимизации конфликтов по данным является метод переименования регистров (register renaming). 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 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.