AOM / Мельник А

5.7. Комп'ютери з комбінованою архітектурою

При реалізації архітектури КДФК виникають серйозні проблеми. Компілятор цього комп'ютера повинен в деталях враховувати внутрішні особливості процесора, аж до організації роботи його функціональних пристроїв. Як наслідок, при випуску нової версії комп'ютера з більшою кількістю функціональних пристроїв доводиться радикально переписувати і компілятор. Інша проблема - це за своєю суттю статична природа оптимі-зації, яку забезпечує компілятор КДФК. Важко передбачити, як, наприклад, поведеться компілятор, коли зіткнеться під час компіляції з непередбаченими динамічними ситуаціями, такими як очікування введення/виведення. Тому розробники сучасних швидкодіючих комп'ютерів починають відходити від чистої архітектури КДФК

У 2000 році корпорація Трансмета випустила процесор Crusoe,сумісний із системою команд процесора х86, який характеризується високою продуктивністю та зниженою споживаною потужністю. Покращання характеристик досягнуто шляхом заміни відчутної частки апаратури процесора допоміжною, але обов'язковою, програмною оболонкою Процесор Crusoeскладається з апаратного ядра та програмної оболонки, яка формує програмний код для цього ядра. Ядром є нескладний КДФК, здатний виконувати до чотирьох простих команд в кожному такті. Доповнення апаратного ядра програмною оболонкою для формування програмного коду створює ефект присутності повноцінного набору апаратних засобів архітектури х86. Програмну оболонку формування коду називають Code Morphing™ тому, що вона динамічно відбиває ("morphs") зовнішні (складні) команди процесора х86 у внутрішні (спрощені) в'язанки команд апаратного ядра

Технологія Code Morphing™ фірми Трансмета змінює традиційні методи проектування процесорів. Практична апробація того, що серійні процесори можна реалізувати як гібрид програмних і апаратних засобів, суттєво розширила можливості проектувальників по вибору та впровадженню оптимальних рішень. По перше, паралельна робота проектувальників апаратного ядра процесора та системних програмістів, які розробляють програмну оболонку, сприяє скороченню термінів розробки. По друге, зовнішня програмна оболонка формування коду із в язанок команд для ядра процесора забезпечує незалежний від прихованої апаратної архітектури розвиток програмних засобів комп'ютерної системи в цілому тобто системних та прикладних програм

Ядро процесора включає два функціональні пристрої для операцій з фіксованою комою, функціональний пристрій для операцій з рухомою комою, функціональний пристрій звернення до пам'яті (load/store)та функціональний пристрій виконання умовних переходів (рис. 5.28).

197

Тут ADD- операція додавання з фіксованою комою, FADD- операцією додавання з рухомою комою, LD- завантаження подвійного слова, aBRCC- умовний перехід за деякою умовою (Conditional Code Branch).

В'язанка команд процесора Crusoe отримала назву молекули. Вона має довжину 64/128 бітів та вміщує чотири команди (чотири атоми). Усі атоми в межах молекули виконуються паралельно. Формат молекули прямо визначає зв'язок атома із конкретним функціональним пристроєм, що значно і спрощує, і прискорює апаратні засоби. Самі молекули процесор опрацьовує із збереженням черговості, тобто без використання складних апаратних засобів невпорядкованого опрацювання. Для забезпечення ефективного використання процесора мінімізується кількість незаповнених атомів, а у випадках несумісності атомів за паралельністю, на місце відсутнього атома вставляється пуста операція.

Програма Code Morphing є фундаментальною системою динамічної трансляції, що транслює команди однієї архітектури (в даному випадку КССК процесора х86) в команди іншої архітектури (КДФК). Програму Code Morphing розміщено в ПЗП процесора і вона є першою програмою, що виконується при завантаженні процесора. Рис. 5.29 ілюструє зв'язок між кодом процесора х86, програмою Code Morphing та ядром процесора Crusoe.

Завдяки тому, що програма формування коду КДФК, а саме, CodeMorphing,ізолює програми процесора х86 (системні та прикладні разом із BIOSі операційною системою) від апаратури процесора Crusoeіз притаманною йому системою команд КДФК, цю систему команд можна змінювати без жодного виливу на систему команд процесора х8б. Але при зміні архітектури КДФК певних змін зазнає і програма Code Morphing. Проте зміни до програми формування коду CodeMorphingтреба виконувати лише один раз на кожну зміну архітектури ядра.

Приховування реальної архітектури рівня машинних команд за шаром фірмової програми CodeMorphingдозволяє уникнути проблем, притаманних чистим КДФК. Чисті КДФК змушують розробника компілятора враховувати усі деталі роботи конвеєра. При

198

цьому найменші зміни у конвеєрі вимагають перепроектування компілятора (не звичайний, а оптимізуючий), що є надто складною ресурсомісткою та кропіткою працею. Зазначеної проблеми для процесора Crusoeпросто не існує. З погляду системних програм Crusoeвиглядає як стандартний процесор х86.

Описана технологія віртуалізації архітектури комп'ютера зі складною системою команд є принципово новим і ефективним методом декомпозиції та вирішення складних завдань проектування сучасних комп'ютерів. Запропонований фірмою Трансмета програмно-апаратний метод проектування забезпечив вдалий розподіл функцій процесора між його програмною та апаратною частинами, і, тим самим, дозволив знайти компроміс між вартістю та складністю, між продуктивністю та споживаною потужністю.

Програма CodeMorphingформування коду КДФК транслює групи команд процесора х86, а не кожну відокремлену команду, як у суперскалярному процесорі. Зрозуміло, що опрацювання групи команд розширює діапазон дій програмного транслятора, що дає йому можливість враховувати семантику фрагмента коду, разом із притаманною фрагментові кореляцією поміж сусідніми командами. Саме це обумовлює перевагу трансляційної технологій Crusoe.Більше того, суперскалярний процесор транслює команду кожного разу, як її виконує. Crusoe виконує трансляцію команди одноразово, зберігаючи результат трансляції у так званій трансляційній кеш пам'яті. Коли виконання фрагмента програми процесора х86 повторюється, Crusoeне виконує повторну трансляцію, а забирає потрібне з трансляційної кеш пам'яті. Зрозуміло, що "компільований" фрагмент коду процесора х86 виконується швидше від "інтерпретованого".

Програмна, а не апаратна, реалізація трансляції відкриває нові можливості. Адже апаратна реалізація складних алгоритмів трансляції збільшує кількість транзисторів на кристалі та споживану потужність. Crusoe виконує лише одноразову повільну трансляцію при першому проході програми, а всі наступні проходи здійснює швидко, що дозволяє значно підвищити складність та ефективність програмно реалізованих алгоритмів трансляції, підвищивши тим самим характеристики комп'ютерної системи.

Зрозуміло, що програма Code Morphing використовує властивість локалізації (locality of reference) вибирань програмних кодів будь-якої універсальної машини. Апаратура процесора Crusoeопрацьовує отриманий від CodeMorphingмолекулярний код не хаотично, а впорядковано, за природною чергою. Це гарантує впорядковане опрацювання оригінальних команд процесора х86. Саме молекули однозначно визначають паралелізм рівня машинних команд, тому апаратна реалізація процедури паралельного опрацювання спрощується.

5.8. Комп'ютери з явним паралелізмом виконання команд

Як ми вже побачили з матеріалу даного розділу, планування порядку обчислень є досить важким завданням, яке доводиться вирішувати при проектуванні сучасного комп'ютера. У суперскалярній архітектурі для розпізнавання залежностей між командами застосовуються досить складні апаратні рішення (наприклад, в Р6 і наступних процесорах фірми Intelдля цього використовується буфер перевпорядковування команд - ReorderBuffer).Проте розміри такого апаратного планувальника при збільшенні кількості функціональних пристроїв зростають в геометричній прогресії. Тому суперскалярні

199

проекти зупинилися на відмітці 5-6 оброблюваних за цикл команд. Навіть КДФК теж далеко не завжди можуть забезпечити повне заповненням в'язанок команд - реальне завантаження близько 6-7 команд в такті.

Вище зазначені проблеми призначена вирішувати нова архітектура із назвою EPIC (Explicitly Parallel Instruction Set Computing).

Класичний процесор, переважно, не спроможний визначити взаємовплив (залежності даних, керування і структури) поміж віддаленими командами первинного (поки що не розпаралеленого) потоку команд. Адже процесор аналізує лише той фрагмент потоку команд, що розташований безпосередньо у процесорному апаратному, тому і невеликому, буфері команд. З іншого боку, програма-компілятор виконуваного коду має значно ширше поле зору та практично необмежений час (ще до виконання програми процесором), аби наперед проаналізувати первинний програмний код на предмет виявлення вказаних вище залежностей та оптимізувати цей код під потрібну архітектуру. В цілому, тут ми маємо ситуацію, коли бажано все, що можна, підготувати заздалегідь (зрозуміло, статично, під час компіляції), а не приймати складних апаратних динамічних рішень в реальному часі (при виконанні процесором вже остаточно скомпільованої програми, із притаманними швидкими рішеннями, помилками та з відповідними часовими витратами на їх виправлення).

Архітектура EPICпередбачає пряме розпаралелювання виконання програми, тобто компілятор мусить повідомляти процесор про те, яка частина коду може виконуватися паралельно. Оптимізований за попереднім означенням компілятор EPICаналізує програмний код, аби визначати, де та коли відбудуться/не відбудуться умовні переходи та знайти і позначити ті частини програмного коду, які можна виконувати паралельно.

Прикладом процесора з архітектурою EPICє процесор ІА-64 фірми Intel.В цьому процесорі команди, як і в архітектурі КДСК, пакуються компілятором в 128-розрядні в'язанки команд. Кожна в'язанка команд процесора ІА-64 містить три команди та шаблон, як це показано на рис. 5.30.

В шаблоні вказується залежність між командами в одній в'язанці та між в'язанками, тобто вона вказує, чи можна одночасно виконувати і-ту (і= 0,1,2) команду в'язанки mодночасно з j-ю (j=0,1,2) командою в'язанки п. Кожній в'язанці в процесорі виділяється три функціональних пристрої, тобто кожній команді виділяється один пристрій. Вміст поля шаблону встановлюється або при генеруванні коду компілятором, або безпосередньо системним програмістом, що пише мовою асемблер. Процес генерації коду виконують так, аби гарантовано позбутися конфліктів типу RAW,WAWв межах командної групи.

Кожна з трьох команд в'язанки має формат, приведений на рис. 5.31.

200

До складу команди входять наступні поля: коду операції, предиката, номери регістрів двох операндів та регістра результату. Розрядності кожного поля вказані на рисунку.

Поле предиката вказує номер регістра предиката, яких в процесорі є 64. Предикація - це спосіб обробки умовних переходів. В процесорі ІА-64 виконуються обидві вітки переходу. Суть способу предикації полягає в наступному. Командам різних гілок одного умовного переходу виділяються різні регістри предиката. Ці команди виконуються на функціональних пристроях процесора, а їх результати записуються до пам'яті тільки після визначення вмісту регістрів предиката, тобто після обчислення умови переходу. Вмісту регістрів вітки переходу, якій відповідає умова переходу, присвоюється значення і, а вмісту регістрів вітки переходу якій не відповідає умова переходу присвоюється значення 0. Процесор перевіряє вміст регістрів предикату і записує в пам'ять результати тільки тих команд, які вказують на регістри предикатів з одиничним вмістом.

Архітектура ІА-64 підвищує рівень паралельного виконання команд за рахунок того, що вона дозволяє на рівні мови асемблер прямо вказувати на паралелізм, реалізує в'язанки, кожна з яких містить три виконувані команди та містить множину надлишкових програмно-недосяжних регістрів, що дублюють операнди поточних команд, запобігаючи тим самим завчасному перезапису цих операндів.

Содержание