VLIW-архитектура

Для реализации динамического параллелизма в процессорах с традиционной системой команд и способами компиляции программного кода требуются весьма сложные схемы организации пула, планировщики, схемы "отката" и др. Процессоры такой архитектуры имеют несколько операционных блоков различного, а иногда и одинакового назначения, которые могут работать параллельно, например, 1 — 2 блока вычисления адресов, 2 — 3 блока АЛУ для чисел с фиксированной запятой, блок обработки чисел с плавающей запятой, блок размещения результата, блок предсказания переходов и др.

Поскольку процессор может планировать и формировать последовательность выполнения команд на ограниченном (размером пула) участке программы, то для эффективной загрузки операционных блоков требуются не только сложные и эффективные процедуры планирования, но и некоторое "везение" — хорошо, если в пул загружены команды, для выполнения которых нужны различные операционные блоки, а если нет?

Один из путей дальнейшего повышения эффективности подобных систем лежит в области разработки специальных компиляторов, которые упаковывают несколько простых команд в "очень длинное командное слово" (VLIW — аббревиатура от Very Long Instruction Word) таким образом, чтобы в одной "очень длинной команде" можно было использовать все существующие в процессоре операционные блоки, В этом случае командное слово соответствует набору функциональных устройств.

(Страница223)

VLIW-архитектуру можно рассматривать как статическую суперскалярную, поскольку распараллеливание кода производится на этапе компиляции, а не динамически во время исполнения, т. е. в машинном коде VL1W присутствует явный параллелизм.

Одним из примеров воплощения идей VLIW может служить предложенная Intel в содружестве с HP концепция 64-разрядной архитектуры микропроцессора IA-64 (Intel 64-bit Architecture, 64-разрядная архитектура Intel). Для ее обозначения использована аббревиатура EPIC (Explicitly Parallel Instruction Computing, вычисления с явным параллелизмом команд).

Процессор, разработанный на базе этой концепции, отличающийся следующими особенностями:

□ большое количество регистров: 128 64-разрядных регистров общего назначения (целочисленных), плюс 128 80-разрядных регистров арифметики плавающей запятой, плюс 64 1-разрядных предикатных регистра;

□ масштабируемость архитектуры до большого количества функциональных устройств. Это свойство представители фирм Intel и HP называют "наследственно масштабируемым набором команд" (inherently scaleable instruction set);

□ явный параллелизм в машинном коде: поиск зависимостей между командами производит не процессор, а компилятор;

□ предикация (predication): команды из разных ветвей условного ветвления

□ снабжаются предикатными полями (полями условий) и запускаются на выполнение параллельно;

□ загрузка по предположению (speculative loading): данные из медленной основной памяти загружаются заранее.

Формат команды IA-64 включает код операции, три 7-разрядных поля операндов — 1 приемник и 2 источника (операндами могут быть только регистры), особые поля для вещественной и целой арифметики, 6-разрядное предикатное поле.

Команды 1А-64 упаковываются (группируются) компилятором в "связку" длиною в 128 разрядов. Связка содержит 3 команды и шаблон, в котором указаны зависимости между командами в связке (можно ли с командой k₁ запустить параллельно k₂или же k₂ должна выполниться только после k₁ ), атакже между другими связками (можно ли с командой k₃ из связки c ₁запустить параллельно команду k₄ из связки c₂).

Одна такая связка, состоящая из трех команд, соответствует набору из трех функциональных устройств процессора. Процессоры IA-64 могут содержать разное количество таких блоков, оставаясь при этом совместимыми по коду. Ведь благодаря тому, что в шаблоне указана зависимость и между связками, процессору с N одинаковыми блоками из трех функциональных устройств будет соответствовать командное слово из N x 3 команд (N связок). Таким образом, обеспечивается масштабируемость IA-64.

Предикация — способ обработки условных ветвлений. Суть этого способа — компилятор указывает, что обе ветви выполняются на процессоре параллельно. Если в исходной программе встречается условное ветвление, то команды из разных ветвей помечаются различными предикатными регистрами (команды имеют для этого предикатные поля), далее они выполняются совместно, но их результаты не записываются, пока значения предикатных регистров не определены. Когда, наконец, вычисляется значение условия ветвления, предикатный регистр, соответствующий "правильной" ветви, устанавливается в 1, а другой — в 0. Перед записью результатов процессор будет проверять предикатное поле и записывать результаты только тех команд, предикатное поле которых содержит предикатный регистр, установленный в 1.

Загрузка по предположению — это механизм, который предназначен снизить простои процессора, связанные с ожиданием выполнения команд загрузки из относительно медленной основной памяти. Компилятор перемещает команды загрузки данных из памяти так, чтобы они выполнились как можно раньше. Следовательно, когда данные из памяти понадобятся какой-либо команде, процессор не будет простаивать. Перемещенные таким образом команды называются командами загрузки по предположению и помечаются особым образом. Непосредственно перед командой, использующей загружаемые по предположению данные, компилятор вставляет команду проверки предположения.

Выводы:

Основная особенность EPIC — распараллеливанием потока команд занимается компилятор, а не процессор.

Достоинства данного подхода:

□ упрощается архитектура процессора; вместо распараллеливающей логики на EPIC-процессоре можно разместить больше регистров, функциональных устройств;

□ процессор не тратит время на анализ потока команд на предмет возможности их параллельного выполнения — эту работу уже выполнил компилятор;

□ возможности процессора по анализу программы во время выполнения ограничены сравнительно небольшим участком программы, тогда как компилятор способен произвести анализ по всей программе;

□ если некоторая программа должна запускаться многократно, выгоднее распараллелить ее один раз (при компиляции), а не каждый раз, когда она исполняется на процессоре.

(Страница225)

Недостатки:

□ компилятор производит статический анализ программы, раз и навсегда планируя вычисления. Однако даже при небольшом изменении начальных данных путь выполнения программы может сколь угодно сильно измениться;

□ серьезно увеличивается сложность компиляторов. Значит, увеличится число ошибок в них, время компиляции;

□ еще более увеличивается сложность отладки, т. к. отлаживать придется оптимизированный параллельный код;

□ производительность EPIC будет всецело зависеть от качества компилятора;

□ проблематичным пока видится преемственность программного обеспечения при переходе на новые поколения микропроцессоров (скомпилированный код очень сильно "привязан" к конкретной архитектуре процессора).

Тем не менее, представители Intel и HP называют EPIC концепцией следующего поколения и противопоставляют ее CISC и RISC. По мнению Intel, традиционные архитектуры имеют фундаментальные свойства, ограничивающие производительность.

Производители RISC-процессоров не разделяют подобного пессимизма. Кстати, в 1980-х годах, когда возникла концепция RISC, прозвучало много заявлений, что концепция CISC устарела, имеет фундаментальные свойства, ограничивающие производительность. Но процессоры, причисляемые к CISC (например, семейство x86), широко используются до сих пор, их производительность растет.

В действительности же, все эти аббревиатуры — CISC, RISC, VLIW, EPIC — обозначают только идеализированные концепции. Реальные современные микропроцессоры трудно подвести исключительно под какой-либо из перечисленных выше классов. Просто в наиболее совершенных современных процессорах заложено большое число удачных идей, использующих многие рассмотренные здесь концепции.