Architektura komputerów

Tydzień 13

Procesory superskalarne

Procesor superskalarny

●

Termin superskalarny określa 
procesory, które mogą wykonywać dwie 
lub więcej instrukcje skalarne 
(arytmetyczne, logiczne) jednocześnie.

●

Rozwiązanie to stosuje się w 
nowoczesnych procesorach w celu 
zwiększenia wydajności.

Ograniczenia

Następujące ograniczenia uniemożliwiają 

równoległe wykonywanie instrukcji:

●

zależność danych

●

zależność proceduralna

●

konflikt dotyczący zasobów

●

zależność wyjściowa

●

antyzależność

Zależność danych

add r1,r2
mov r3,r1
Drugi rozkaz może być pobrany i zdekodo-

wany, ale nie może być wykonany zanim 
nie zostanie wykonany pierwszy rozkaz, 
ponieważ potrzebne są dane tworzone 
przez pierwszy.

Zależności proceduralne

●

Obecność rozgałęzień w sekwencji 
rozkazów ma jeszcze większy wpływ na 
potok superskalarny, niż na 
pojedynczy.

●

Straty spowodowane przez 
rozgałęzienie mogą być jeszcze 
większe, ponieważ więcej jest 
wykonywane w jednostce czasu.

Konflikt dotyczący zasobów

●

Konflikt dotyczący zasobów polega na 
jednoczesnym rywalizowaniu dwóch 
instrukcji o te same zasoby. 
Przykładami takich zasobów są:

–

pamięć

–

magistrale

–

kanały wejścia-wyjścia

●

Takie konflikty mogą być rozwiązywane 
przez zwielokratnianie zasobów lub 
odpowiednią organizację.

Zależność wyjściowa

●

W przykładowym kodzie:

R3:=R3 op R5

(I1)

R4:=R3+1

(I2)

R3:=R5+1

(I3)

R7:=R3 op R4

(I4)

●

Rozkaz I3 nie jest zależny od I1, ale nie 
może być wykonany przed nim, gdyż 
wówczas I4 będzie miał niewłaściwą 
zawartość rejestru R3.

Antyzależność

R3:=R3 op R5

(I1)

R4:=R3 + 1

(I2)

R3:=R5 + 1

(I3)

●

Wykonywanie rozkazu I3 nie może być 
zakończone, zanim nie zostanie rozpoczęte 
wykonywanie rozkazu I2 i nie zostaną 
pobrane jego argumenty.

●

I3 aktualizuje rejestr R3, który jest źródłem 
argumentu dla rozkazu I2.

●

Ograniczenie jest podobne do zależności 
danych, lecz na odwrót: drugi rozkaz 
niszczy wartość używaną przez pierwszy.

Wpływ zależności

Pobieranie

rozkazu

Dekodo-

wanie

Wykony-

wanie

Zapis

opóźniony

Pobieranie

rozkazu

Dekodo-

wanie

Wykony-

wanie

Zapis

opóźniony

r1
r2

Brak zależności

Pobieranie

rozkazu

Dekodo-

wanie

Wykony-

wanie

Zapis

opóźniony

Pobieranie

rozkazu

Dekodo-

wanie

Wykony-

wanie

Zapis

opóźniony

r1
r2

Zależność danych
(r2 wykorzystuje dane 
obliczone przez r1)

Pobieranie

rozkazu

Dekodo-

wanie

Wykony-

wanie

Zapis

opóźniony

Pobieranie

rozkazu

Dekodo-

wanie

Wykony-

wanie

Zapis

opóźniony

r1
r2

Zależność proceduralna

Pobieranie

rozkazu

Dekodo-

wanie

Wykony-

wanie

Zapis

opóźniony

Pobieranie

rozkazu

Dekodo-

wanie

Wykony-

wanie

Zapis

opóźniony

r3
r4

Pobieranie

rozkazu

Dekodo-

wanie

Wykony-

wanie

Zapis

opóźniony

Pobieranie

rozkazu

Dekodo-

wanie

Wykony-

wanie

Zapis

opóźniony

r1
r2

Konflikt dotyczący 
zasobów

Pobieranie

rozkazu

Dekodo-

wanie

Wykony-

wanie

Zapis

opóźniony

Pobieranie

rozkazu

Dekodo-

wanie

Wykony-

wanie

Zapis

opóźniony

r5
r6

rozgałęzienie

Kolejność wykonania 

rozkazów

●

Kolejne wydawanie połączone z 
kończeniem w zmienionej kolejności.

–

Jeżeli rozkaz wykonuje się dłużej niż jeden cykl, 

jego wyniki mogą być osiągalne później, niż 

kolejnego rozkazu.

●

Zmieniona kolejność wydawania i 
kończenia.

–

Wykorzystujemy bufor zdekodowanych 

rozkazów zwany oknem rozkazu.

–

Jednostka wykonawcza pobiera dowolny rozkaz 

z okna pod warunkiem spełnienia ograniczeń.

Przemianowanie rejestrów

Metoda eliminowania konfliktów 

antyzależności i zależności wyjściowej 
przez powielenie zasobów.

R3

b

:=R3

a

 op R5

a

R4

b

:=R3

b

 + 1

R3

c

:=R5

a

 + 1

R7

b

:=R3

c

 op R4

b

Użycie innego fizycznego rejestru R3c w rozkazie 

I3 zapobiega antyzależnośći w drugim rozkazie 

oraz zależności wyjściowej w pierwszym. Dzięki 

temu I3 może być wykonany natychmiast.

Procesor PowerPC 620

●

Procesor PowerPC 620 zawiera sześć 
niezależnych jednostek wykonawczych:

–

jednostkę rozkazów

–

trzy jednostki całkowitoliczbowe

–

jednostkę ładowania/zapisu

–

jednostkę zmiennopozycyjną

●

Procesor może jednocześnie 
wykonywać do 4 rozkazów: 3 
całkowitoliczbowe i 1 
zmiennopozycyjny.

PowerPC 620 cd

●

Procesor zawiera układy przewidywania 
rozgałęzień, bufory przemianowania 
rejestrów oraz stacje rezerwowe 
wewnątrz jednostek wykonawczych.

●

Procesor ten może wykonywać do 4 
nierozstrzygniętych rozkazów 
rozgałęzień.

●

Przewidywanie skoków oparte jest na 
tablicy historii zawierającej 2048 
zapisów. Skuteczność przewidywań: 90%.