Особенности архитектур с явно выраженным параллелизмом
Опережающее выполнение команд прежде, чем становится известно, что их выполнение необходимо, принято называть спекулятивным выполнением (speculative execution). В суперскалярной архитектуре поддержка спекулятивного выполнения, необходимая для предсказания переходов, обеспечивается специальным буфером переупорядочивания, хранящим промежуточные результаты выполнившихся спекулятивно команд, а также раздельными механизмами фиксации и выдачи спекулятивных и обычных команд. В EPIC-архитектуре компилятор обязан выбрать команду для спекулятивного выполнения, переместить её в новое место и пометить, как спекулятивную. При этом для корректной обработки исключений архитектура обеспечивает их подавление при выполнении спекулятивной команды и выброс исключения на специальной команде проверки, также вставляемой компилятором. Пример спекулятивного выполнения команд на архитектуре Itanium показан на рис. 1.
Рис. 1. Спекулятивное выполнение на процессоре Itanium:
а) – первоначальный код, б) – измененный компилятором
Другим примером особенности, направленной на выявление параллелизма на уровне команд, является поддержка условного выполнения через предикатные регистры. При условном выполнении практически любую команду можно аннотировать одним из предикатных регистров, при этом команда выполняется только в том случае, если значение предикатного регистра равно единице. Это позволяет выражать достаточно длинные ветвления без переходов, но лишь командами сравнения и командами с условным выполнением, что в свою очередь уменьшает количество зависимостей по управлению, мешающих выявлению параллелизма.
Рассмотрим пример реализации условного выполнения в процессорах Itanium. Предикатные регистры в Itanium хранятся в 64-битном слове, при этом команды сравнения устанавливают пару соседних предикатных регистров в противоположные значения; таким образом, можно одновременно хранить результат 31 сравнения (значение нулевого предикатного регистра фиксировано и равно логической единице). В коде каждой команды есть 6-битное поле, в котором записан номер предикатного регистра, контролирующего её выполнение (наличие всегда установленного в единицу предикатного регистра позволяет единообразно записывать условно и безусловно выполняющиеся команды).
Условные переходы записываются как безусловные переходы, защищённые соответствующим предикатом. На рис. 2 показан пример вычисления минимума из двух целых чисел на ассемблере x86 (без использования команды условной пересылки) и на ассемблере Itanium с применением условного выполнения.
Рис. 2. Вычисление минимума двух чисел на ассемблере x86 (а) и с помощью условного выполнения на процессоре Itanium (б).
Рис. 3. Исходный цикл (а) и ядро конвейеризованного цикла c использованием явных пересылок между регистрами (б) и вращающихся регистров (в).
Наконец, последним рассмотрим поддержку в EPIC-архитектуре вращающихся регистров. Важной оптимизацией для выявления параллелизма на уровне команд является программная конвейеризация циклов, целью которой является такое планирование команд тела цикла, что итерации цикла выстраиваются в «конвейер», образуя пролог цикла, ядро из команд с различных итераций, и эпилог. В том случае, когда в ядре перекрываются сразу несколько итераций, часто необходимо выполнять переименование регистров, чтобы устранить ложные зависимости по регистрам между итерациями. Такое переименование обычно требует дополнительных операций пересылок между регистрами (см. рисунок 3(б), где такие пересылки показаны курсивом), причем если результат, записанный на предыдущей итерации в копируемый регистр, еще не готов, то обращение к этому регистру вызовет останов конвейера до завершения вычисления этого результата.
Избавиться от лишних пересылок регистров помогает механизм вращающихся регистров, представляющий из себя аппаратно поддерживаемое переименование регистров. Команды цикла используют виртуальные номера регистров, r32-r127, а команда br.ctop выполняет сдвиг окна отображения виртуальных регистров в физические таким образом, что происходит циклическое переименование: r[i]=r[i-1], i=1..N-1, r[0]=r[N-1], где N – размер вращающегося регистрового окна. Никаких физических пересылок значений между регистрами при этом не происходит. Более того, за счет использования вращающихся предикатных регистров автоматически генерируется пролог и эпилог цикла (см.рис. 3 (в)).
