浙江工商大學計算機體系結(jié)構(gòu)第2章指令級并行及其開發(fā)-資料下載頁
2025-05-10 10:51本頁面
【正文】 標緩存 或轉(zhuǎn)移目標 Cache。 ? 轉(zhuǎn)移目標緩存 由于轉(zhuǎn)移目標緩存要預測下一條指令的地址，并且在指令 譯碼結(jié)束前 將預測地址發(fā)送出去，因此必須確定取到的指令 是否是一條被預測為將被選中的轉(zhuǎn)移指令 。如果 地址匹配 ，則相應的 預測指令地址將作為下一條指令的地址 。轉(zhuǎn)移預測緩存的硬件結(jié)構(gòu)本質(zhì)上與 Cache的硬件結(jié)構(gòu)一致（圖 ）。 ? 轉(zhuǎn)移目標緩存 如果在轉(zhuǎn)移目標緩存中發(fā)現(xiàn)了一個 匹配的入口，則取指令 立即從預測指令地址開始 。由于在確定指令是否轉(zhuǎn)移之前將預測地址發(fā)送出去，因此轉(zhuǎn)移目標緩存的預測入口必須與指令完全匹配，若處理器不對這種 匹配進行核實 ，那么在當前指令不是轉(zhuǎn)移的情況下，發(fā)送出去的預測地址就是錯誤的，這會降低處理器的速度。在轉(zhuǎn)移目標緩存中， 只保存那些預測為被選中的轉(zhuǎn)移 。 ? 轉(zhuǎn)移目標緩存 使用轉(zhuǎn)移目標緩存的詳細步驟參考圖 . 在緩存中 存在匹配的轉(zhuǎn)移入口 且 預測正確 的情況下，是不存在轉(zhuǎn)移延遲的；否則，將至少付出 2個時鐘周期的轉(zhuǎn)移代價。 處理緩存缺失和預測錯誤 是一個艱巨的挑戰(zhàn)，因為必須在重寫緩存入口的同時停止取指令的操作。 ? 轉(zhuǎn)移目標緩存 轉(zhuǎn)移目標緩存的另外一種形式是在 緩存中保存一條或多條目標指令 ，以此作為預測目標地址的替代或補充。這種形式有 兩個潛在優(yōu)勢 ，首先，這種方法允許轉(zhuǎn)移目標緩存的訪問時間 超過兩個相繼取指令操作的時間間隔 ，也可能允許更大的轉(zhuǎn)移目標緩存；其次，通過緩存實際的指令可以 實現(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 代價降為 0時鐘周期。 ? 返回地址預測器 當要提高推測的準確性時，將面臨間接轉(zhuǎn)移帶來的挑戰(zhàn)， 間接轉(zhuǎn)移目標地址是在運行時確定的 。高級編程語言會為間接程序調(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返回地址，當 調(diào)用發(fā)生時 將返回地址壓入堆棧 ，調(diào)用 返回時 再將其 彈出 。若 Cache足夠大的話，它將出色地預測返回地址。 ? 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 取指令作為一個獨立自主的單元來實現(xiàn) ，由該單元 為流水線的其他部分提供指令 ，當然，這會增加多發(fā)射的 復雜性 ，不再將取指令視為一個單獨的流水段。在最新設(shè)計中，集成取指令單元包含以下功能： 集成的轉(zhuǎn)移預測、指令預取、指令存儲器訪問和緩存 。 ? 集成的取指令單元 集成的轉(zhuǎn)移預測 轉(zhuǎn)移預測成為取指令的一部分，并且持續(xù)對轉(zhuǎn)移進 行預測，以驅(qū)動流水線的取指令操作。 指令預取 為實現(xiàn)一個時鐘周期內(nèi)傳送多條指令，取指令單元自主管理指令的預取，并將它同轉(zhuǎn)移預測整合在一起。 指令存儲器訪問和緩存 取指令單元提供緩存功能，作為一個按需單元為發(fā)射流水段提供所需的指令。 ? 推測的實現(xiàn)問題和擴展 探討三個問題：寄存器重命名與重排序緩存、多轉(zhuǎn)移推測和值預測。 支持推測：寄存器重命名與重排序緩存 在寄存器重命名方法中，物理 寄存器的擴展集 被用來保存結(jié)構(gòu)可見寄存器和臨時值， 擴展寄存器替代了ROB和保留站的功能 。重命名方法較 ROB方法的一個優(yōu)勢在于指令提交的簡化，但撤銷分配寄存器的工作會更復雜，因為在釋放物理寄存器之前，必須確定它與任何系統(tǒng)結(jié)構(gòu)寄存器不再對應，且對該寄存器的使用已全部完成。 ? 推測的代價 推測技術(shù)的明顯優(yōu)勢在于它能夠盡早發(fā)現(xiàn)可能導致流水線停頓的事件，比如 Cache缺失等。然這種潛在的優(yōu)勢伴隨明顯的缺點。推測不是免費的，它需要 消耗時間 、消耗能量，恢復錯誤的推測還會 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，推測還會引起異常的發(fā)生 。 ? 推測的代價 為了將推測的代價降到最小，大多數(shù)推測處理器 只允許低代價的異常事件發(fā)生 ，如果發(fā)生了代價昂貴的異常事件，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性質(zhì)消失，盡管這會輕微影響程序的一些性能，但相對于特別是在頻繁發(fā)生此類事件且轉(zhuǎn)移預測率不夠理想的情況，這種方法能夠有效地避免性能損失。 隨著處理器的發(fā)展， 推測技術(shù)所付出的代價以及寬發(fā)射和推測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)移預測 有三種情況可以從多轉(zhuǎn)移預測中受益： 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。前兩種情況下，獲得高性能意味著同時有多條轉(zhuǎn)移被推測 ，甚至是 每時鐘周期處理一條以上的轉(zhuǎn)移 。 數(shù)據(jù)庫程序 以及其他一些結(jié)構(gòu)化較差的定點計算通常具有此類特性，因此，推測多條轉(zhuǎn)移對于此類程序非常重要 。同樣，多轉(zhuǎn)移是一種在長流水線中避免停頓的方法。 ? 值預測 值預測是一種提高程序中可用指令級并行度的技術(shù)。值預測嘗試對指令將要產(chǎn)生結(jié)果的值進行預測。由于大多數(shù)指令在執(zhí)行時產(chǎn)生的結(jié)果并不相同，因此值預測的成功率是有限的。但是，值預測對于某些 特定類型的指令 來說卻是可行的，如讀取一個 常量池 ，或是一個相對穩(wěn)定變量的 load指令 。 ? 值預測 值預測的 研究大多集中在 load指令上 ，可以通過檢測 load返回值與 最近幾次 load執(zhí)行結(jié)果的匹配比率 來確定值預測可能達到的最高準確率，最簡單的情況是檢查 load返回值與上一次執(zhí)行得到的值是否匹配。 鑒于預測錯誤會付出高昂代價且預測錯誤率相當高，目前還 沒有 一款應用這項技術(shù)的 商用處理器出現(xiàn) 。
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