高等计算机系统结构.ppt

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1、高等计算机系统结构（第四讲）2011年4月2日程旭现代指令级并行技术流水线的性能通过更加复杂的流水线和动态调度开发隐形（implicit）指令级并行性乱序执行执行，同时保证：真数据相关(RAW)精确中断通过寄存器换名，消除WAR和WAW冒险重排序缓冲器（Reorderbuffer）保存尚未提交（committing）但已完成的结果，以支持精确中断频繁出现的转移指令会产生控制冒险，从而限制性能的改进指令流水线的总体结构取指和译码进入指令重排序缓冲器是按序进行的执行是乱序的乱序完成提交（Commit：回写道体系结构级的

2、状态，即寄存器对&存储器）按序在提交之前，需要临时存储来保存结果(影子寄存器和存储缓冲器)FetchDecodeExecuteCommitReorderBufferIn-orderIn-orderOut-of-orderKillKillKillException?InjecthandlerPCI-cacheFetchBufferIssueBufferFunc.UnitsArch.StateExecuteDecodeResultBufferCommitPCFetchBranchexecutedNextfetchsta

3、rted在许多现代处理器中，在下一PC计算和最终确定转移结果之间有10个以上的流水级!控制流导致的性能损失如果流水线不能及时选择正确指令，会导致多少损失?~LooplengthxpipelinewidthInstructionTakenknown?Targetknown?JJRBEQZ/BNEZMIPS的转移和跳转每条指令的取指都依赖于之前指令的一或二项信息:1)之前的那条指令是发生转移的指令吗（takenbranch）?2)如果是，转移目标地址是什么?AfterInst.DecodeAfterInst.Decode

4、AfterInst.DecodeAfterInst.DecodeAfterReg.FetchAfterReg.Fetch**假设在寄存器读时判断是否为“0”深度指令流水线中的转移损失APCGeneration/MuxPInstructionFetchStage1FInstructionFetchStage2BBranchAddressCalc/BeginDecodeICompleteDecodeJSteerInstructionstoFunctionalunitsRRegisterFileReadEIntegerEx

5、ecuteRemainderofexecutepipeline(+another6stages)UltraSPARC-IIIinstructionfetchpipelinestages(in-orderissue,4-waysuperscalar,750MHz,2000)BranchTargetAddressKnownBranchDirection&JumpRegisterTargetKnown降低转移损失软件解决方案消除转移–循环展开（loopunrolling）增大运行长度（runlength)较小转移确定的时间

6、（resolutiontime）：指令调度尽早计算转移条件硬件解决方案发现其他一些可以做的事–延迟槽（delayslots）用有效工作替换流水线中的空泡(需要软件协助)推测（Speculate）-转移预测跨越转移的指令推测式执行（Speculativeexecution）转移预测动机:转移损失（Branchpenalties）制约了深度流水化处理器的性能提升现代转移预测器具有很好的正确率(>95%)，可望显著减少转移损失需要硬件支持:预测结构部件:转移历史表（Branchhistorytables）,转移目标缓冲器（

7、branchtargetbuffers）等错误预测恢复机制：将结果计算与确认（commit）分离开来消除流水线中跟随错误预测转移指令的指令将状态恢复到转移指令之后的正确状态静态转移预测总体而言，一条转移指令发生的概率大约为60-70%，但是:ISA也可以向转移指令附加上首选转移方向的语义，例如MotorolaMC88110bne0(preferredtaken)beq0(nottaken)JZJZbackward90%forward50%动态转移预测learningbasedonpastbehavior时间关联(Te

8、mporalcorrelation)Thewayabranchresolvesmaybeagoodpredictorofthewayitwillresolveatthenextexecution空间关联（Spatialcorrelation）Severalbranchesmayresolveinahighlycorrelatedmanner(a