浙江工商大學(xué)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)第2章指令級(jí)并行及其開發(fā)-資料下載頁
2025-05-10 10:51本頁面
【正文】 標(biāo)緩存 或轉(zhuǎn)移目標(biāo) Cache。 ? 轉(zhuǎn)移目標(biāo)緩存 由于轉(zhuǎn)移目標(biāo)緩存要預(yù)測(cè)下一條指令的地址，并且在指令 譯碼結(jié)束前 將預(yù)測(cè)地址發(fā)送出去，因此必須確定取到的指令 是否是一條被預(yù)測(cè)為將被選中的轉(zhuǎn)移指令 。如果 地址匹配 ，則相應(yīng)的 預(yù)測(cè)指令地址將作為下一條指令的地址 。轉(zhuǎn)移預(yù)測(cè)緩存的硬件結(jié)構(gòu)本質(zhì)上與 Cache的硬件結(jié)構(gòu)一致（圖 ）。 ? 轉(zhuǎn)移目標(biāo)緩存 如果在轉(zhuǎn)移目標(biāo)緩存中發(fā)現(xiàn)了一個(gè) 匹配的入口，則取指令 立即從預(yù)測(cè)指令地址開始 。由于在確定指令是否轉(zhuǎn)移之前將預(yù)測(cè)地址發(fā)送出去，因此轉(zhuǎn)移目標(biāo)緩存的預(yù)測(cè)入口必須與指令完全匹配，若處理器不對(duì)這種 匹配進(jìn)行核實(shí) ，那么在當(dāng)前指令不是轉(zhuǎn)移的情況下，發(fā)送出去的預(yù)測(cè)地址就是錯(cuò)誤的，這會(huì)降低處理器的速度。在轉(zhuǎn)移目標(biāo)緩存中， 只保存那些預(yù)測(cè)為被選中的轉(zhuǎn)移 。 ? 轉(zhuǎn)移目標(biāo)緩存 使用轉(zhuǎn)移目標(biāo)緩存的詳細(xì)步驟參考圖 . 在緩存中 存在匹配的轉(zhuǎn)移入口 且 預(yù)測(cè)正確 的情況下，是不存在轉(zhuǎn)移延遲的；否則，將至少付出 2個(gè)時(shí)鐘周期的轉(zhuǎn)移代價(jià)。 處理緩存缺失和預(yù)測(cè)錯(cuò)誤 是一個(gè)艱巨的挑戰(zhàn)，因?yàn)楸仨氃谥貙懢彺嫒肟诘耐瑫r(shí)停止取指令的操作。 ? 轉(zhuǎn)移目標(biāo)緩存 轉(zhuǎn)移目標(biāo)緩存的另外一種形式是在 緩存中保存一條或多條目標(biāo)指令 ，以此作為預(yù)測(cè)目標(biāo)地址的替代或補(bǔ)充。這種形式有 兩個(gè)潛在優(yōu)勢(shì) ，首先，這種方法允許轉(zhuǎn)移目標(biāo)緩存的訪問時(shí)間 超過兩個(gè)相繼取指令操作的時(shí)間間隔 ，也可能允許更大的轉(zhuǎn)移目標(biāo)緩存；其次，通過緩存實(shí)際的指令可以 實(shí)現(xiàn)優(yōu)化 ，稱之為 轉(zhuǎn)移隱含 ，使用轉(zhuǎn)移隱含，可以將 無條件轉(zhuǎn)移 代價(jià)降為 0時(shí)鐘周期。 ? 返回地址預(yù)測(cè)器 當(dāng)要提高推測(cè)的準(zhǔn)確性時(shí)，將面臨間接轉(zhuǎn)移帶來的挑戰(zhàn)， 間接轉(zhuǎn)移目標(biāo)地址是在運(yùn)行時(shí)確定的 。高級(jí)編程語言會(huì)為間接程序調(diào)用、 case選擇語句以及 goto語句生成這類轉(zhuǎn)移，但間接轉(zhuǎn)移 大部分還是來自過程返回 ，而在面向?qū)ο蟮恼Z言中，比如 c++或 Java，過程返回更加頻繁。 過程返回可 使用堆棧作為返回地址緩存 ，該結(jié)構(gòu)用來緩存最近的幾個(gè)返回地址，當(dāng) 調(diào)用發(fā)生時(shí) 將返回地址壓入堆棧 ，調(diào)用 返回時(shí) 再將其 彈出 。若 Cache足夠大的話，它將出色地預(yù)測(cè)返回地址。 ? 集成的取指令單元 為了滿足多發(fā)射處理器的要求，可選擇 集成取指令單元 的方法，將 取指令作為一個(gè)獨(dú)立自主的單元來實(shí)現(xiàn) ，由該單元 為流水線的其他部分提供指令 ，當(dāng)然，這會(huì)增加多發(fā)射的 復(fù)雜性 ，不再將取指令視為一個(gè)單獨(dú)的流水段。在最新設(shè)計(jì)中，集成取指令單元包含以下功能： 集成的轉(zhuǎn)移預(yù)測(cè)、指令預(yù)取、指令存儲(chǔ)器訪問和緩存 。 ? 集成的取指令單元 集成的轉(zhuǎn)移預(yù)測(cè) 轉(zhuǎn)移預(yù)測(cè)成為取指令的一部分，并且持續(xù)對(duì)轉(zhuǎn)移進(jìn) 行預(yù)測(cè)，以驅(qū)動(dòng)流水線的取指令操作。 指令預(yù)取 為實(shí)現(xiàn)一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)傳送多條指令，取指令單元自主管理指令的預(yù)取，并將它同轉(zhuǎn)移預(yù)測(cè)整合在一起。 指令存儲(chǔ)器訪問和緩存 取指令單元提供緩存功能，作為一個(gè)按需單元為發(fā)射流水段提供所需的指令。 ? 推測(cè)的實(shí)現(xiàn)問題和擴(kuò)展 探討三個(gè)問題：寄存器重命名與重排序緩存、多轉(zhuǎn)移推測(cè)和值預(yù)測(cè)。 支持推測(cè)：寄存器重命名與重排序緩存 在寄存器重命名方法中，物理 寄存器的擴(kuò)展集 被用來保存結(jié)構(gòu)可見寄存器和臨時(shí)值， 擴(kuò)展寄存器替代了ROB和保留站的功能 。重命名方法較 ROB方法的一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于指令提交的簡(jiǎn)化，但撤銷分配寄存器的工作會(huì)更復(fù)雜，因?yàn)樵卺尫盼锢砑拇嫫髦?，必須確定它與任何系統(tǒng)結(jié)構(gòu)寄存器不再對(duì)應(yīng)，且對(duì)該寄存器的使用已全部完成。 ? 推測(cè)的代價(jià) 推測(cè)技術(shù)的明顯優(yōu)勢(shì)在于它能夠盡早發(fā)現(xiàn)可能導(dǎo)致流水線停頓的事件，比如 Cache缺失等。然這種潛在的優(yōu)勢(shì)伴隨明顯的缺點(diǎn)。推測(cè)不是免費(fèi)的，它需要 消耗時(shí)間 、消耗能量，恢復(fù)錯(cuò)誤的推測(cè)還會(huì) 降低流水線的性能 ，執(zhí)行更高指令速率還需 占用額外的資源 ，最后，推測(cè)還會(huì)引起異常的發(fā)生 。 ? 推測(cè)的代價(jià) 為了將推測(cè)的代價(jià)降到最小，大多數(shù)推測(cè)處理器 只允許低代價(jià)的異常事件發(fā)生 ，如果發(fā)生了代價(jià)昂貴的異常事件，處理器在處理該事件之前，必須等待引起該事件的指令推測(cè)性質(zhì)消失，盡管這會(huì)輕微影響程序的一些性能，但相對(duì)于特別是在頻繁發(fā)生此類事件且轉(zhuǎn)移預(yù)測(cè)率不夠理想的情況，這種方法能夠有效地避免性能損失。 隨著處理器的發(fā)展， 推測(cè)技術(shù)所付出的代價(jià)以及寬發(fā)射和推測(cè)所受的限制都將變得越來越明顯 ，此問題后面章節(jié)繼續(xù)討論。 ? 多轉(zhuǎn)移預(yù)測(cè) 有三種情況可以從多轉(zhuǎn)移預(yù)測(cè)中受益： 轉(zhuǎn)移頻率非常高，轉(zhuǎn)移明顯成簇 ，以及功能單元延遲較長(zhǎng)。前兩種情況下，獲得高性能意味著同時(shí)有多條轉(zhuǎn)移被推測(cè) ，甚至是 每時(shí)鐘周期處理一條以上的轉(zhuǎn)移 。 數(shù)據(jù)庫(kù)程序 以及其他一些結(jié)構(gòu)化較差的定點(diǎn)計(jì)算通常具有此類特性，因此，推測(cè)多條轉(zhuǎn)移對(duì)于此類程序非常重要 。同樣，多轉(zhuǎn)移是一種在長(zhǎng)流水線中避免停頓的方法。 ? 值預(yù)測(cè) 值預(yù)測(cè)是一種提高程序中可用指令級(jí)并行度的技術(shù)。值預(yù)測(cè)嘗試對(duì)指令將要產(chǎn)生結(jié)果的值進(jìn)行預(yù)測(cè)。由于大多數(shù)指令在執(zhí)行時(shí)產(chǎn)生的結(jié)果并不相同，因此值預(yù)測(cè)的成功率是有限的。但是，值預(yù)測(cè)對(duì)于某些 特定類型的指令 來說卻是可行的，如讀取一個(gè) 常量池 ，或是一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定變量的 load指令 。 ? 值預(yù)測(cè) 值預(yù)測(cè)的 研究大多集中在 load指令上 ，可以通過檢測(cè) load返回值與 最近幾次 load執(zhí)行結(jié)果的匹配比率 來確定值預(yù)測(cè)可能達(dá)到的最高準(zhǔn)確率，最簡(jiǎn)單的情況是檢查 load返回值與上一次執(zhí)行得到的值是否匹配。 鑒于預(yù)測(cè)錯(cuò)誤會(huì)付出高昂代價(jià)且預(yù)測(cè)錯(cuò)誤率相當(dāng)高，目前還 沒有 一款應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù)的 商用處理器出現(xiàn) 。
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