Файл: 401-455.pdf

4 2 6 Глава 9. Основные направления в архитектуре процессоров

К настоящему моменту известно более двух десятков различных способов реа-

лизации идеи предсказания переходов [165,230-232], отличающихся друг от дру-

га исходной информацией, на основании которой делается прогноз, сложностью
реализации и, главное, точностью предсказания. При классификации схем пред-

сказания переходов обычно выделяют два подхода: статический и динамический,

в зависимости от того, когда и на базе какой информации делается предсказание.

Эффективность большинства из приводимых в учебнике методов предсказа-

ния переходов иллюстрируется результатами исследований, опубликованными
в [68,95,107,197,207,228]. Все эксперименты проводились по примерно одинако-

вой методике: численные показатели получены путем имитации методов предска-
зания переходов при выполнении наборов стандартных тестовых программ. Глав-

ное различие заключалось в выборе тестовых программ, что и нашло отражение
в существенном расхождении полученных оценок.

Так, в работе Смита [197] использовались шесть тестовых программ, написан-

ных на языке Фортран:

-

 ADVAN: решение системы из трех дифференциальных уравнений в частных

производных;

-

 GIBSON: искусственная программа компиляции набора команд, примерно удов-

летворяющего так называемой смеси Гибсона № 5; '

- SCI2: обращение матрицы;
- SINCOS: преобразование массива координат из полярной системы отсчета

в прямоугольную;

-

 SORTST: сортировка массива из 10 000 целых чисел;

- TBLINK: работа со связанным списком.

В прочих исследованиях участвовали программы, входящие в различные вер-

сии тестовых пакетов SPEC, в частности пакетов SPEC_92, SPEC_95 и CPU2000.

Последующий материал раздела посвящен рассмотрению различных механиз-

мов предсказания переходов.

Статическое предсказание переходов

Статическое предсказание переходов

 осуществляется на основе некоторой апри-

орной информации о подлежащей выполнению программе. Предсказание делает-
ся на этапе компиляции программы и в процессе вычислений уже не меняется.

Главное различие между известными механизмами статического прогнозирования

заключается в виде информации, используемой для предсказания, и ее трактовке.

Исходная информация может быть получена двумя путями: на основе анализа кода

программы или в результате ее профилирования (термин «профилирование» по-

ясняется ниже).

Известные стратегии статического предсказания для команд УП можно клас-

сифицировать следующим образом:

- переход происходит всегда (ПВ);

- переход не происходит никогда (ПН);
- предсказание определяется по результатам профилирования;

Конвейеризация вычислений  4 2 7

- предсказание определяется кодом операции команды перехода;
- предсказание зависит от направления перехода;
Я при первом выполнении команды переход имеет место всегда,

В первом иэ перечисленных вариантов предполагается, что

 каждая команда

условного перекода в программе обязательно завершится переходом,

 и, с учетом

такого предсказания, дальнейшая выборка команд производится, начиная с адре-
са перехода. В основе второй стратегии лежит прямо противоположный подход:

ни одна из команд условного перехода в программе никогда не завершается перехо-
дом,

 поэтому выборка команд продолжается в естественной последовательности.

Интуитивное представление, что обе стратегии должны приводить к верному

предсказанию в среднем в 50% случаев, на практике не подтверждается. Так, по
результатам тестирования (рис. 9.8), приведенным в [197], предсказание об обяза-
тельном переходе оказалось правильным в среднем для 76% команд УП.

Точность предсказания

Рис. в.8. Точность предсказания переходов при стратегии «переход происходит всегда-

Аналогичный показатель, полученный на ином наборе тестовых программ [150],

составил 68%. В работе [228] приводятся результаты проверки стратегии ПВ на
тестах CPU2000 отдельно для программ с интенсивными целочисленными вычис-
лениями и программ с преимущественной обработкой чисел в форме с плавающей
запятой. Для первых средняя точность предсказаний составила 55

t

2%, а для вто-

рых — 59,9%. В других источниках встречаются и иные численные оценки точнос-

ти прогноза при стратегии ПВ, в частности 60% и 71,9%. В то же время в работе

[233] отмечается, что для ряда программ, связанных с целочисленной обработкой,
процент правильных предсказаний может опускаться ниже 50%.

Цифры свидетельствуют, что успешность стратегии ПВ существенно зависит

от характера программы и методов программирования, что, естественно, можно

рассматривать как недостаток. Тем не менее стратегия все же используется в ряде
ВМ, в частности MIPS-X, SuperSPARC, микропроцессорах i486 фирмы Intel. Свя-

зано это, скорее всего, с простотой реализации и с тем, что для определенного класса
программ стратегию можно считать достаточно эффективной.

Схожая ситуация характерна и для стратегии ПН, где предполагается, что ни

одна из команд УП в программе никогда не завершается переходом. Несмотря на
схожесть с ПВ, процент правильных исходов здесь обычно ниже, особенно в про-
граммах с большим количеством циклов.

Стратегия ПН реализована в конвейерах микропроцессоров М68020 и МС88000,

вычислительной машине VAX 11/780. Сравнительная оценка стратегий ПВ и ПН,
полученная при выполнении тестов CPU2000 для целочисленных и веществен-
ных вычислений [228], показана на рис. 9.9.

4 2 8 Глава 9. Основные направления в архитектуре процессоров

Рис. 9.9. Сравнение статических стратегий ПВ и ПН

Из диаграммы видно, что ни одна из двух стратегий не обладает явным преиму-

ществом над другой. Тем не менее анализ большого количества программ [154]

показывает, что условные переходы имеют место более чем в 50% случаев, поэто-
му если стоимость реализации двух рассмотренных вариантов одинакова, то пред-
почтение следует отдать стратегии ПВ.

В третьем из перечисленных способов статического предсказания назначение

командам УП наиболее вероятного исхода производится

 по результатам профи-

лирования подлежащих выполнению программ.

 Под

 профилированием

 подразуме-

вается выполнение программы при некотором эталонном наборе исходных данных,
сопровождающееся сбором информации об исходах каждой команды условного
перехода. Тем командам, которые чаще завершались переходом, назначается стра-
тегия ПВ, а всем остальным — ПН. Выбор фиксируется в специальном бите кода
операции. Некоторые компиляторы самостоятельно проводят профилирование

программы и по его результатам устанавливают этот бит в формируемом объект-
ном коде. При выполнении программы поведение конвейера команд определяется
после выборки команды по состоянию упомянутого бита в коде операции. Основ-
ной недостаток этого образа действий связан с тем, что изменение набора исход-
ных данных для профилирования может существенно менять поведение одних и тех
же команд условного перехода.

Средняя вероятность правильного предсказания, полученная на программах

тестового набора SPEC_92, составила 75%. Стратегия используется в процессорах

MIPS 4x00 и PowerPC 603.

При предсказании

 на основе кода операции команды перехода

 для одних команд

предполагается, что переход произойдет, для других — его не случится. Например,

для команды перехода по переполнению логично предположить, что перехода не
будет. На практике назначение разным видам команд УП наиболее вероятного

исхода чаще производится по результатам профилирования программ. В исследо-
ваниях Е. Смита [197] стратегия ПВ была назначена командам перехода по усло-
виям: «меньше нуля

»

, «равно», «больше или равно», а ПН — всем прочим коман-

дам условного перехода. Результаты показаны на рис. 9.10.

Эффективность предсказания зависит от характера программы. Этим, в част-

ности, объясняется различие в выводах, полученных на основе разных исследова-
ний. Так, согласно [154] стратегия приводит к успеху в среднем более чем в 75%
случаев, а исследования Е. Смита дают цифру 86,7%,

Достаточно логичным представляется предсказание

 исходя из направления пе-

рехода.

 Если указанный в команде адрес перехода меньше содержимого счетчика

Конвейеризация вычислений  4 2 9

Рис. 9.10. Точность предсказания переходов при стратегии «переход

зависит от кода операции»

команд, говорят о переходе «назад»-, и для такой команды назначается стратегия
ПВ. Переход к адресу, превышающему адрес команды перехода, считается перехо-

дом «вперед», и такой команде назначается стратегия ПН. В основе рассматривае-
мого подхода лежит статистика по множеству программ, согласно которой боль-

шинство команд У П в программах используются для организации циклов, причем,

как правило, переходы происходят к началу цикла (переходы «назад»). Согласно

[120], для команд, выполняющих переход -«назад», фактический переход имеет

место в 85% случаев. Для переходов «вперед» эта цифра составляет 65%. Таким
образом, для команд условного перехода «назад

»

- логично принять, что переход

происходит всегда. Рассматриваемую стратегию иногда называют «Переход назад
происходит всегда». Результаты ее оценки [197] приведены на рис. 9.11.

Рис. 9.11. Точность предсказания переходов при стратегии «переход

зависит от направления перехода»

Здесь при тестировании на пакете SPEC_89 средняя точность предсказания со-

ставила 65%. Среди ВМ, где описанная стратегия является основной, можно упомя-
нуть MicroSPARC-2 и РА-7хОО. Чаще, однако, стратегия используется в качестве вто-
ричного механизма в схемах динамического прогнозирования переходов.

В последней из рассматриваемых статических стратегий при

 первом выполне-

шшлюбой команды условного перехода делается предсказание, что переход обязательно

будет.

 Предсказания на последующее выполнение команды зависят от правильнос-

ти начального предсказания. Стратегию можно считать статической только частич-
но, поскольку она однозначно определяет исход команды лишь при первом ее выпол-
нении. Точность прогноза в соответствии с данной стратегией выше, чем у всех

предшествующих, что подтверждают результаты, приведенные на рис. 9.12 [197].

К сожалению, при больших объемах программ вариант практически нереа-

лизуем из-за того, что нужно отслеживать слишком много команд условного
перехода.

4 3 0

 Глава 9. Основные направления в архитектуре процессоров

Точность предсказания

Рис. 9.12.

 Точность предсказания переходов при стратегии «при первом выполнении

переход обязательно происходит»

Динамическое предсказание переходов

В

 динамических стратегиях

 решение о наиболее вероятном исходе команды УП

принимается в ходе вычислений, исходя из информации о предшествующих пере-
ходах (истории переходов), собираемой в процессе выполнения программы. В це-
лом, динамические стратегии по сравнению со статическими обеспечивают более
высокую точность предсказания. Прежде чем приступить к рассмотрению конк-
ретных динамических механизмов предсказания переходов, остановимся на неко-
торых положениях, общих для всех динамических подходов.

Идея динамического предсказания переходов предполагает накопление инфор-

мации об исходе предшествующих команд УП. История переходов фиксируется
в форме таблицы, каждый элемент которой состоит из

 т

 битов. Нужный элемент

таблицы указывается с помощью k-разрядной двоичной комбинации — шаблона

(pattern). Этим объясняется общепринятое название таблицы предыстории пере-

ходов —

 таблица истории для шаблонов

 (PHT, Pattern History Table).

При описании динамических схем предсказания переходов их часто расцени-

вают как один из видов автоматов Мура, при этом содержимое элементов РНТ

трактуется как информация, отображающая текущее состояние автомата. В рабо-

те [230] рассмотрены различные варианты подобных автоматов, однако реально
осмысленно говорить лишь о трех вариантах, которые условно обозначим Al, A2
и A3.

Автомат Al имеет только два состояния, поэтому каждый элемент РНТ состоит

из одного бита (m= 1), значение которого отражает исход последнего выполнения
команды условного перехода. Диаграмма состояний автомата Al приведена па
рис. 9.13.

Рис. 0.13.

 Диаграмма состояний автомата А1