4.4 Трудности реализации VLIW
При реализации архитектуры VLIW возникают и другие серьезные проблемы: VLIW-компилятор должен в деталях "знать" внутренние особенности архитектуры процессора, опускаясь до внутреннего устройства самих функциональных модулей. Как следствие, при выпуске новой версии VLIW-процессора с большим количеством обрабатывающих модулей (или даже с тем же количеством, но другим быстродействием) все старое программное обеспечение, скорее всего, потребует полной перекомпиляции. Надо ли было при переходе, скажем, на процессор 486 избавляться от имеющегося ПО для процессора 386? Конечно, нет, а вот при переходе от одного VLIW-процессора к другому придется, и это разработчик должен учесть при планировании своих затрат - потребуются дополнительные средства на перекомпиляцию. Сторонники VLIW-архитектуры в оправдание предлагают разделить процесс компиляции на две стадии. Все программное обеспечение должно готовиться в аппаратно-независимом формате с использованием промежуточного кода, который окончательно транслируется в машинно-зависимый код только после установки на машине пользователя. Пример такого подхода демонстрирует фонд OSF со своим стандартом ANDF (Architecture-Neutral Distribution Format). Но кросс-платформенное программное обеспечение пока еще только желаемое, а в действительности разработчики ПО для ПК зачастую весьма инертны по отношению к принятию радикально новых технологий. Другая трудность - это по своей сути статическая природа оптимизации, которую обеспечивает VLIW-компилятор. Как поведет себя программа, когда столкнется во время компиляции с непредусмотренными динамическими ситуациями, такими как, например, ожидание ввода-вывода? Архитектура VLIW возникла в ответ на требования со стороны научно-технических организаций, где при вычислениях особенно необходимо большое быстродействие процессора, но для объектно-ориентированных и управляемых по событиям программ она менее подходит, а ведь именно такие программы составляют сейчас большинство в мире ПК. Но и это еще не все: а как можно проверить, что компилятор выполняет такие сложные преобразования надежно и правильно? Пока никак. Вот почему VLIW-компиляторы называют "вещью в себе". Однако решение сложной задачи обеспечения взаимодействия аппаратного и программного обеспечения в архитектуре VLIW требует серьезных предварительных исследований.
Таким образом, достоинства VLIW заключаются в следующем. Во-первых, компилятор может более эффективно исследовать зависимости между командами и выбирать параллельно исполняемые команды, чем это делает аппаратура суперскалярного процессора, ограниченная размером окна исполнения.
Во-вторых, VLIW процессор имеет более простое устройство управления и потенциально может иметь более высокую тактовую частоту.
Однако у VLIW процессоров есть серьезный фактор, снижающий их производительность. Это команды ветвления, зависящие от данных, значения которых становятся известны только в динамике вычислений. Окно исполнения VLIW-процессора не может быть очень большим ввиду отсутствия у компилятора информации о зависимостях, формируемых динамически, в процессе выполнения. Этот недостаток препятствует возможности переупорядочивания операций в VLIW процессор. Кроме того, VLIW реализация требует большого размера памяти имен, многовходовых регистровых файлов, большого числа перекрестных связей. Возможен также останов, когда во время выполнения возникла ситуация, отличающаяся от состояния в момент генерации плана выполнения (например, во время выполнения произошло неудачное обращение в кэш-память).
Команды, помещенные в окно исполнения, могут быть зависимы по данным. Эти зависимости обусловлены использованием одних и тех же ресурсов памяти (регистров, ячеек памяти) в разных командах. Поэтому для правильного исполнения программы необходимо использование этих ресурсов в предписываемом программой порядке.
Поскольку при суперскалярной обработке необходимо извлекать из памяти несколько команд за один такт для загрузки параллельно работающих функциональных устройств, повышенные требования предъявляются к пропускной способности интерфейса «процессор-память». В современных процессорах применяются многоуровневые раздельные кэш-памяти данных и команд.
Для уменьшения потерь процессорных тактов, связанных с промахами при обращении к кэш-памяти в случае выполнения команд ветвления, в состав системы кэширования вводятся средства предсказания переходов, основное назначение которых — повысить вероятность наличия в кэшпамяти требуемой команды.
Исполнение условных ветвлений состоит из следующих этапов:
- распознавание команды условного ветвления;
- проверка выполнения условия перехода;
- вычисление адреса перехода;
- передача управления в случае перехода.
На каждом этапе используются специальные приемы повышения производительности [1].
1. Для быстрого декодирования применяются либо дополнительные биты в поле команды, либо преддекодирование команд при их выборке из кэш-памяти команд.
2. Часто, когда команда уже выбрана из кэш-памяти команд, условие перехода еще не вычислено. Чтобы не задерживать поток команд, в данном случае используется предсказание перехода по одной из нескольких возможных схем.
Механизм предсказания переходов выполняет две основные функции — предсказание программного адреса инструкции, на которую производится переход (для всех инструкций перехода), и предсказание направления ветвления (для инструкций условного перехода). Оба предсказания должны быть выполнены заблаговременно — раньше, чем начнётся декодирование и обработка инструкции перехода — для того, чтобы выборка нового блока инструкций была произведена без потерь лишних тактов либо с минимальными потерями.
Необходимость предсказания адреса «целевой» инструкции вызвана тем, что этот адрес может быть извлечён из x86-инструкции перехода и вычислен только на финальной стадии декодирования, с большой задержкой. Более того, даже простое выделение инструкций переменной длины из считанного блока и поиск среди них инструкций перехода займёт какое-то время. Поэтому в процессорах архитектуры x86 предсказание производят по целому блоку, без разбиения его на составляющие инструкции.
В современных процессорах для предсказания адреса перехода обычно используют специальную таблицу адресов переходов BTB (Branch Target Buffer). Эта таблица устроена подобно кэшу и содержит адреса инструкций, на которые ранее производились переходы. Например, в процессоре P-III таблица BTB имеет размер 512 элементов и организована в виде 128 наборов с ассоциативностью 4. Для адресации набора используются младшие разряды адреса 16-байтового блока инструкций. Если в этом блоке есть инструкции перехода, и если эти инструкции отрабатывали ранее, то алгоритм предсказания может очень быстро найти адрес целевой инструкции в таблице BTB и начать считывание блока, содержащего эту инструкцию. Адреса целевых инструкций помещаются в BTB в момент отставки соответствующих инструкций перехода.
В других современных процессорах размер таблицы BTB достигает 2048 элементов (K8) и 4096 элементов (P-4). Организация данной подсистемы в процессоре K8 несколько отличается от классической и основывается на предварительной разметке блоков инструкций в так называемых массивах селекторов перед помещением их в I-кэш. Эти селекторы привязаны к положению инструкций в I-кэше и при их вытеснении оттуда сохраняются в L2-кэше (в так называемых ECC-битах, предназначающихся для коррекции ошибок). Элементы таблицы BTB также привязаны к положению инструкций в I-кэше и теряются при их вытеснении. Это несколько снижает эффективность предсказания адресов переходов в процессоре K8.
Для предсказания направления условного перехода используется другой механизм, основанный на изучении поведения переходов в программе в процессе её выполнения (своего рода «сбор статистики»). Этот механизм учитывает как локальное поведение конкретной инструкции перехода (например, «как правило, переходит», «как правило, не переходит»), так и глобальные закономерности («чередуется по определённому закону» и т.п.). История поведения инструкций условного перехода записывается в специальных структурах, обычно называемых «таблицами истории переходов» (Branch History Table, BHT). Современные механизмы предсказания переходов обеспечивают правильное предсказание более чем в 90 процентах случаев.
Перечислим некоторые механизмы, используемые в новом процессоре P8, имеющем наиболее совершенную систему предсказания переходов:
- сочетание локального и глобального механизмов для предсказания «обычных» инструкций перехода с учётом истории их поведения;
- статический предсказатель для инструкций, совершающих переход в первый раз, основанный на эмпирических закономерностях (например, «переход назад» обычно предсказывается как совершённый, так как может означать переход по циклу, а «переход вперёд» — как несовершённый);
- предсказатель коротких циклов, распознающий такие переходы и определяющий число итераций цикла (позволяет правильно предсказать момент выхода из цикла);
- предсказатель косвенных переходов, определяющий целевые адреса для различных исполнений инструкции перехода (с учётом возможного чередования этих адресов);