13 procesory superskalarne

Architektura komputerów
Tydzień 13
Procesory superskalarne
Procesor superskalarny
●
●
Termin superskalarny określa
procesory, które mogą wykonywać dwie
lub więcej instrukcje skalarne
(arytmetyczne, logiczne) jednocześnie.
Rozwiązanie to stosuje się w
nowoczesnych procesorach w celu
zwiększenia wydajności.
Ograniczenia
Następujące ograniczenia uniemożliwiają
równoległe wykonywanie instrukcji:
●
zależność danych
●
zależność proceduralna
●
konflikt dotyczący zasobów
●
zależność wyjściowa
●
antyzależność
Zależność danych
add
r1,r2
mov r3,r1
Drugi rozkaz może być pobrany i zdekodowany, ale nie może być wykonany zanim
nie zostanie wykonany pierwszy rozkaz,
ponieważ potrzebne są dane tworzone
przez pierwszy.
Zależności proceduralne
●
●
Obecność rozgałęzień w sekwencji
rozkazów ma jeszcze większy wpływ na
potok superskalarny, niż na
pojedynczy.
Straty spowodowane przez
rozgałęzienie mogą być jeszcze
większe, ponieważ więcej jest
wykonywane w jednostce czasu.
Konflikt dotyczący zasobów
●
●
Konflikt dotyczący zasobów polega na
jednoczesnym rywalizowaniu dwóch
instrukcji o te same zasoby.
Przykładami takich zasobów są:
–
pamięć
–
magistrale
–
kanały wejścia-wyjścia
Takie konflikty mogą być rozwiązywane
przez zwielokratnianie zasobów lub
odpowiednią organizację.
Zależność wyjściowa
●
●
W przykładowym kodzie:
R3:=R3 op R5
(I1)
R4:=R3+1
(I2)
R3:=R5+1
(I3)
R7:=R3 op R4
(I4)
Rozkaz I3 nie jest zależny od I1, ale nie
może być wykonany przed nim, gdyż
wówczas I4 będzie miał niewłaściwą
zawartość rejestru R3.
Antyzależność
R3:=R3 op R5
R4:=R3 + 1
R3:=R5 + 1
●
●
●
(I1)
(I2)
(I3)
Wykonywanie rozkazu I3 nie może być
zakończone, zanim nie zostanie rozpoczęte
wykonywanie rozkazu I2 i nie zostaną
pobrane jego argumenty.
I3 aktualizuje rejestr R3, który jest źródłem
argumentu dla rozkazu I2.
Ograniczenie jest podobne do zależności
danych, lecz na odwrót: drugi rozkaz
niszczy wartość używaną przez pierwszy.
Wpływ zależności
r1
r2
Pobieranie
rozkazu
Pobieranie
rozkazu
Dekodowanie
Dekodowanie
WykonyZapis
wanie
opóźniony
WykonyZapis
wanie
opóźniony
r1
r2
Pobieranie
rozkazu
Pobieranie
rozkazu
Dekodowanie
Dekodowanie
WykonyZapis
wanie
opóźniony
WykonyZapis
wanie
opóźniony
r1
r2
r3
r4
r5
r6
Pobieranie
rozkazu
Pobieranie
rozkazu
Dekodowanie
Dekodowanie
WykonyZapis
wanie
opóźniony
WykonyZapis
wanie
opóźniony
Pobieranie
rozkazu
Pobieranie
rozkazu
r1
r2
Pobieranie
rozkazu
Pobieranie
rozkazu
Dekodowanie
Dekodowanie
Brak zależności
Zależność danych
(r2 wykorzystuje dane
obliczone przez r1)
Zależność proceduralna
rozgałęzienie
Dekodowanie
Dekodowanie
Pobieranie
rozkazu
Pobieranie
rozkazu
WykonyZapis
wanie
opóźniony
WykonyZapis
wanie
opóźniony
WykonyZapis
wanie
opóźniony
WykonyZapis
wanie
opóźniony
Dekodo- WykonyZapis
wanie
wanie
opóźniony
Dekodo- WykonyZapis
wanie
wanie
opóźniony
Konflikt dotyczący
zasobów
Kolejność wykonania
rozkazów
●
Kolejne wydawanie połączone z
kończeniem w zmienionej kolejności.
–
●
Jeżeli rozkaz wykonuje się dłużej niż jeden cykl,
jego wyniki mogą być osiągalne później, niż
kolejnego rozkazu.
Zmieniona kolejność wydawania i
kończenia.
–
Wykorzystujemy bufor zdekodowanych
rozkazów zwany oknem rozkazu.
–
Jednostka wykonawcza pobiera dowolny rozkaz
z okna pod warunkiem spełnienia ograniczeń.
Przemianowanie rejestrów
Metoda eliminowania konfliktów
antyzależności i zależności wyjściowej
przez powielenie zasobów.
R3b:=R3a op R5a
R4b:=R3b + 1
R3c:=R5a + 1
R7b:=R3c op R4b
Użycie innego fizycznego rejestru R3c w rozkazie
I3 zapobiega antyzależnośći w drugim rozkazie
oraz zależności wyjściowej w pierwszym. Dzięki
temu I3 może być wykonany natychmiast.
Procesor PowerPC 620
●
●
Procesor PowerPC 620 zawiera sześć
niezależnych jednostek wykonawczych:
–
jednostkę rozkazów
–
trzy jednostki całkowitoliczbowe
–
jednostkę ładowania/zapisu
–
jednostkę zmiennopozycyjną
Procesor może jednocześnie
wykonywać do 4 rozkazów: 3
całkowitoliczbowe i 1
zmiennopozycyjny.
PowerPC 620 cd
●
●
●
Procesor zawiera układy przewidywania
rozgałęzień, bufory przemianowania
rejestrów oraz stacje rezerwowe
wewnątrz jednostek wykonawczych.
Procesor ten może wykonywać do 4
nierozstrzygniętych rozkazów
rozgałęzień.
Przewidywanie skoków oparte jest na
tablicy historii zawierającej 2048
zapisów. Skuteczność przewidywań: 90%.