Architektura Komputerów/Wykład 7: Działanie potokowej jednostki wykonawczej
|
... |
|
... |
|
... |
|
Potok R3000 składa się z pięciu stopni. Stopień IF pobiera instrukcje z hierarchii pamięci instrukcji (zewnętrznej w stosunku do procesora). Stopień RD odczytuje zawartości rejestrów źródłowych z zestawu rejestrów procesora. Stopień ALU wykonuje operację arytmetyczną i ew. skok. Stopień MEM dokonuje wymiany danych z hierarchią pamięci danych. Stopień WB zapisuje wynik operacji arytmetycznej lub daną odczytaną z pamięci do rejestru. |
|
... |
|
Diagram ilustruje wykonanie instrukcji przez potok procesora MIPS R3000. W każdym cyklu procesor rozpoczyna wykonanie nowej instrukcji i kończy wykonanie wcześniejszej instrukcji. W każdym cyklu w potoku przebywa 5 instrukcji w różnych fazach wykonania. |
|
Podczas wykonania przedstawionej sekwencji instrukcji w potoku, druga instrukcja, znajdując się w stopniu RD odczytuje zawartość rejestru, który pierwsza instrukcja zaktualizuje w stopniu WB, a więc w trzy cykle później. Podczas wykonania programu użytkowego może się zdarzyć, że wykonanie strumienia instrukcji zostanie przerwane, a następnie podjęte na nowo po jakimś czasie. W międzyczasie procesor będzie wykonywał inne sekwencje instrukcji, należące do procedur systemowych lub innego procesu użytkownika. W takiej sytuacji. przed przełączeniem kontekstu procesor zakończy wykonanie instrukcji pierwszej, nie rozpoczynając wykonania drugiej (a właściwie anulując efekty jej wykonania). Po powrocie do przerwanego procesu rozpocznie się wykonanie go od drugiej instrukcji. W takiej sytuacji druga instrukcja pobierze z rejestru wynik zapisany przez pierwszą instrukcję. |
|
Ponieważ nie wiadomo, czy wykonanie programu zostanie zawieszone, a następnie wznowione pomiędzy instrukcją pierwszą i drugą – nie można jednoznacznie określić, jaką wartość rejestru $4 pobierze druga instrukcja. Sytuacja taka jest nazywana hazardem. Program musi być wykonywany deterministycznie – niezbędne jest usunięcie wszelkich niedeterminizmów i zagwarantowanie jednoznaczności wykonania. |
|
Najprostszą metodą usunięcia hazardu RAW jest uznanie sekwencji instrukcji powodującej hazard za nielegalną i niedozwoloną. Stosowny zapis w dokumentacji powinien określać minimalny odstęp pomiędzy instrukcją wyliczającą wynik i instrukcją korzystającą z tego wyniku jako z argumentu źródłowego. Metoda ta jest niepraktyczna, gdyż na ogół instrukcje programów tworzą sekwencje – łańcuchy, w których kolejne instrukcje korzystają z wyników instrukcji poprzedzających. W praktyce programiści musieliby więc umieszczać w programach dużo instrukcji pustych dla zapewnienia odpowiednich odstępów pomiędzy instrukcjami generującymi hazardy. |
|
Hazard w potoku można stosunkowo łatwo wykryć, umieszczając w stopniu RD komparatory, porównujące numery rejestrów źródłowych odczytywanych przez stopień RD z numerami rejestrów docelowych instrukcji przebywających w stopniach ALU i MEM. (Przypomnijmy, że stopień RD może oczytać rejestr zapisywany w tym samym cyklu w stopniu WB.) W razie wykrycia hazardu, instrukcja odczytu zostaje zatrzymana w stopniu RD, a do stopnia ALU zostaje wstrzyknięta instrukcja pusta. Instrukcja odczytu opuści stopień RD, kiedy zniknie ostrzeżenie o hazardzie, czyli w chwili, kiedy instrukcja zapisu znajdzie się w stopniu WB. |
|
... |
|
Najbardziej efektywna metoda usuwania hazardu RAW wymaga nieco większych nakładów sprzętowych, w postaci rozbudowy stopnia odczytu i przeprowadzenia dodatkowych ścieżek danych ze stopni ALU i MEM do stopnia RD. Na ścieżkach tych są przesyłane numery rejestrów docelowych oraz wartości danych z wyjść stopni. W przypadku operacji arytmetycznych będą to gotowe wyniki, które później zostaną zapisane do rejestrów docelowych. W ten sposób w stopniu RD można pobrać jako argumenty źródłowe wartości rejestrów, zanim zostaną one zapisane do rejestrów procesora. |
|
W przedstawionym przykładzie obejścia ze stopni ALU i MEM zawierają wartości, które w przyszłości zostaną zapisane do rejestrów $5 i $4. Instrukcja przebywająca w stopniu RD specyfikuje jako argumenty źródłowe właśnie te rejestry. Logika stopnia RD spowoduje, że wartości argumentów zostaną pobrane nie z rejestrów $4 i $5, a z obejść. |
|
Przedstawiony problem jest szczególnym przypadkiem hazardu RAW. Tym razem instrukcja zapisująca wynik jest instrukcją ładowania danej z pamięci. Kiedy instrukcja odczytująca rejestr $4 znajduje się w stopniu RD, instrukcja zapisująca rejestr jest w stopniu ALU. Dostęp do pamięci nastąpi w stopniu MEM. Obejście ze stopnia ALU nie może więc zawierać wyniku instrukcji ładowania. Wynik ten będzie dostępny na obejściu ze stopnia MEM, kiedy instrukcja ładowania znajdzie się w stopniu MEM. Nie ma możliwości przyspieszenia tej operacji, a obejścia nie są w stanie usunąć hazardu. |
|
... |
|
... |
|
... |
|
... |
|
... |
|
... |
|
... |
|
... |
|
... |
|
... |
|
... |
|
... |
|
... |
|
... |
|
... |
|
... |
|
... |
