Независимостные архитектуры.

ЛЕКЦИЯ 8.

Процессоры потока данных.

Существует два типа управления выполнением программы: управление от потока команд (IF ? Instruction Flow) и управление от потока данных (DF ? Data Flow). Если в ЭВМ первого типа используется традиционное выполнение команд по ходу их расположения в программе, то применение ЭВМ второго типа предполагает активацию операторов по мере их текущей готовности.

В случае DF все узлы информационного графа задачи представляются в виде отдельных операторов:

КОП О1, О2, A3, БС

где О1, О2 — поля для приема первого и второго операндов от других операторов; A3 ? адрес (имя) оператора, куда посылается результат; БС ? блок событий. В БС записывается число, равное количеству операндов, которое нужно принять, чтобы начать выполнение данного оператора. После приема очередного операнда из БС вычитается единица, когда в БС оказывается нуль, оператор начинает выполняться. Программа полностью повторяет ИГ, но ее операторы могут располагаться в памяти в произвольном порядке. Выполняться они будут независимо от начального расположения строго в соответствии с зависимостью по данным. Это и есть управление потоком данных. Считается, что такая форма представления ИГ обеспечивает наибольший потенциальный параллелизм.

В случае зависимостной архитектуры компилятор или программист выяв-

ляют параллелизм в программе и представляют его аппаратуре путем описания

зависимостей между операциями в машинной программе. Аппаратура все же

еще должна определить на этапе исполнения, когда каждая операция становит-

ся независимой от всех других операций, и тогда выполнить планирование.

Но прежде рассмотрим вопрос о влиянии количества регистров общего на-

значения РОН на величину параллелизма. Существует несколько видов памяти

с разным временем доступа и объемом хранимой информации:

Тип памяти	Время доступа, такты	Обьем
РОН		Обычно до 16 байт
Кэш	1-2	Сотни килобайт
Оперативная память	20-50	гигабайты

Регистры – самая быстрая память. Обычно их немного. Рассмотрим сле-

дующую ситуацию. Пусть требуется сложить четыре числа -.

Рассмотрим эту операцию для двух случаев: в микропроцессоре имеется 2 или 4 РОН. В программе для двух РОН из-за недостатка регистров приходится промежуточные результаты записывать в память, поэтому программы удлиняется и в нейт нет параллелизма. Если предположить, что одно обращение к памяти занимает 3 такта, а сложение – 1 такт, то приведенная программа выполняется за 30 тактов.

Программа

mov r1, [a1]

mov r2, [a2]

r1=r1+r2

mov [b1], r1

mov r1, [a3]

mov r2, [a4]

r1=r1+r2

mov [b2], r1

mov r1, [b1]

mov r2, [b2]

r1=r1+r2

mov [c], r1

Увеличение числа регистров до 4 –ех устраняет использование промежу-

точных переменных и позволяет параллельное выполнение операций:

mov r1, [a1]

mov r2, [a2]

mov r3, [a3]

mov r4, [a4]

r1=r1+r2, r3=r3+r4

r1=r1+r2

mov [c], r1

Итого, 17 тактов, что значительно меньше, чем в предыдущем случае. При увеличении объема данных и числа РОН выигрыш будет намного больше.

Микропроцессор Pentium Pro компании Intel (рис) построен по принципу

управления от потока данных (DF), отсюда и получил название потокового.

Главное в потоковом процессоре ? выполнить команду сразу, как только станут доступны входные операнды и освободятся необходимые функциональные устройства

Блок ВД (выборка и декодирование команд) по существу является микро-

программной частью компилятора. Он обеспечивает:

• Чтение команд из КЭШ и их преобразование из формата i86 в формат DF (управление от потока данных)

• Запись команд в буфер команд в буфер команд БК. В БК команды пред-

ставлены в трехадресном формате. Поскольку в системе команд i86 мало

РОН (всего 8), то для устранения ложных зависимостей по данным в МП

Pentium Pro введено 40 дополнительных регистров, которые недоступны

программисту. Они используются аппаратурой для временного хранения

результатов. Обозначим эти регистры временного хранения через V. Тогда

на рисунке V1, V2 и VР обозначают соответственно номера регистров для

хранения первого, второго операндов и результата.

Блок ПВ (планирование и выполнение) является центральным блоком МП Pentium Pro. Именно он выполняет команды в порядке их готовности. ПВ содержит несколько АЛУ и устройств обращения к памяти. За один такт ПВ выполняет следующие действия:

• Выделяет в БК команды, готовые к исполнению.

• Планирует и назначает на исполнение до пяти команд, поскольку в ПВ

имеется пять исполнительных устройств.

• Выполняет эти команды.

• Передает результаты в блок БК, вычитает единицу из БС и в случае воз

можности устанавливает в командах признак готовности.

Чтобы блок ПВ мог выполнять за один такт до 3…5 команд, необходимо,

чтобы в БК находилось до 20…30 команд. По статистике среди такого объема

команд в среднем имеется имеется 4…5 команд условных переходов. Следова-

тельно, в БК находится некоторая трасса выполнения команд. Выбор таких

наиболее вероятных трасс является новой функцией МП с непоследовательным

выполнением команд. Эта функция выполняется в блоке ВД на основе расши-

ренного до 512 входов буфера истории переходов.

Поскольку реально вычисленный в ПВ адрес перехода не всегда совпадает с предсказанным в блоке ВД, то вычисление в ПВ выполняется условно, т. е. результат записывается в регистр временного хранения. Только после того, как

установлено, что переход выполнен правильно, блок удаления команд УК вы-

водит из БК все выполненные команды, расположенные за командой условного

перехода, преобразует их в формат системы i86 и производит запись результа-

тов по адресам, указанным в исходной программе.

Независимостные архитектуры.

К таким архитектурам относятся процессоры со сверхдлинной командой (СДК), однако для них чаще используется название ? процессоры VLIW (Very Long Instruction Word). Чтобы выполнить операции параллельно, система должна определить, являются ли операции независимыми от других. Суперскалярный и потоковый процессоры представляют два способа извлечения этой информации на этапе исполнения. В случае потокового процессора эта явная информация используется, чтобы определить момент запуска команды. Суперскалярный процессор делает то же самое, однако, из-за отсутствия явной информации он вынужден сначала определять зависимости между командами. Напротив, для независимостных архитектур компилятор определяет параллелизм в программе и привязывает его к аппаратуре путем указания, какие операции независимы от других. Эта информация есть прямое указание для аппаратуры, какие операции можно проводить в том же самом цикле. Вместо описания всех независимых команд обычно описывают только часть этих независимых команд, которые предполагается выполнить одновременно.

Если архитектура дополнительно требует, чтобы программа описывала, где (в каком функциональном устройстве) и когда (в каком такте) операция выполнялась, тогда оборудованию вообще не надо тратить времени на принятие этих решений, и выходная запись последовательности исполненных операций полностью совпадает с входной программой. Построенные к этому времени VLIW процессоры обладают именно такой архитектурой. Программа для VLIW процессора точно описывает, на каком функциональном устройстве и в каком такте операция должна быть запущена, так чтобы она была независима от всех запускаемых в данном такте операций и от других еще незаконченных операций.

Для VLIW процессора важно ввести различие между командой и операцией. Операция есть единица вычислений (сложение, выборка из памяти, переход) для последовательной машины. VLIW команда (сверхдлинная команда) есть ряд операций, которые предполагается запустить одновременно. Задачей компилятора является определение того, какие операции должны входить в команду. Этот процесс называется планированием. Все допустимые операции упаковываются в единую команду. Порядок операций внутри команды задает устройства, на которых каждая операция должна выполняться.

Первым примером такой архитектуры является архитектура микропроцессора компании Intel под названием Itanium (ранее Merced), разработанная в соответствии с концепцией IA-64 (Intel Architecture для 64 разрядов) и структура СДК микропроцессора С6 компании Texas Instruments

Статьи к прочтению:

Архитектура северной Африки: от европейской колонизации до независимости

Похожие статьи: