Πώς εφαρμόζετε τον παραλληλισμό του επιπέδου διδασκαλίας;

Ο παραλληλισμός σε επίπεδο διδασκαλίας (ILP) εκμεταλλεύεται το γεγονός ότι οι πολλαπλές οδηγίες σε ένα πρόγραμμα μπορούν να εκτελεστούν ταυτόχρονα, ακόμη και αν δεν έχουν οριστεί ρητά παράλληλα. Εφαρμόζεται μέσω ενός συνδυασμού τεχνικών υλικού και μεταγλωττιστή. Εδώ είναι μια κατανομή:

Τεχνικές υλικού:

* Pipelining: Αυτή είναι η πιο θεμελιώδης τεχνική. Οι οδηγίες χωρίζονται σε σταδιακά (FETCH, αποκωδικοποίηση, εκτέλεση, πρόσβαση μνήμης, εγγραφή πίσω) και πολλαπλές οδηγίες μπορούν να βρίσκονται σε διαφορετικά στάδια του αγωγού ταυτόχρονα. Αυτό αυξάνει τη διακίνηση οδηγιών, ακόμη και αν δεν μειώνει την καθυστέρηση των μεμονωμένων οδηγιών. Οι κίνδυνοι (εξαρτήσεις δεδομένων, εξαρτήσεις ελέγχου) μπορούν να περιορίσουν την αποτελεσματικότητα του αγωγού, απαιτώντας τεχνικές όπως η προώθηση και η πρόβλεψη των κλάδων.

* Superscalar Architecture: Υπάρχουν πολλαπλές μονάδες εκτέλεσης, επιτρέποντας την εκτέλεση πολλαπλών οδηγιών ταυτόχρονα σε έναν μόνο κύκλο ρολογιού. Ο επεξεργαστής προγραμματίζει δυναμικά οδηγίες σε διαφορετικές μονάδες εκτέλεσης με βάση τις εξαρτήσεις και τη διαθεσιμότητά τους. Αυτό απαιτεί εξελιγμένο υλικό προγραμματισμού διδασκαλίας.

* Πολύ μακρά λέξη διδασκαλίας (VLIW): Ο μεταγλωττιστής εκτελεί εκτεταμένο στατικό προγραμματισμό, συσκευάζοντας πολλαπλές ανεξάρτητες οδηγίες σε μια ενιαία, πολύ μακρά λέξη διδασκαλίας. Αυτό απλοποιεί το υλικό σε σύγκριση με το Superscalar, καθώς ο προγραμματισμός οδηγιών γίνεται εξ ολοκλήρου σε χρόνο μεταγλώττισης. Ωστόσο, μειώνει την ευελιξία και μπορεί να οδηγήσει σε κώδικες, αν δεν υπάρχουν αρκετές ανεξάρτητες οδηγίες.

* Εκτέλεση εκτός παραγγελίας: Οι οδηγίες εκτελούνται με μια σειρά διαφορετική από την παραγγελία του προγράμματος, εφόσον γίνονται σεβαστές οι εξαρτήσεις των δεδομένων. Αυτό απαιτεί πολύπλοκο υλικό για την παρακολούθηση των εξαρτήσεων και τη διαχείριση της μετονομασίας του μητρώου (για να αποφευχθούν οι συγκρούσεις όταν οι οδηγίες αναδιαρθρώνονται).

* Πρόβλεψη υποκαταστήματος: Προβλέπει το αποτέλεσμα των κλάδων (υπό όρους άλματα) για να αποφευχθεί η παύση του αγωγού όταν συναντάται ένας κλάδος. Οι λανθασμένες προβλέψεις μπορούν να οδηγήσουν σε έκπλυση αγωγών, σπαταλώντας κύκλους. Οι προηγμένες τεχνικές πρόβλεψης υποκαταστημάτων χρησιμοποιούν εξελιγμένους αλγόριθμους και πίνακες ιστορικού κλάδου.

* κερδοσκοπική εκτέλεση: Εκτελεί οδηγίες πριν από την εξάρτηση των εξαρτήσεων τους (π.χ., πριν επιλυθεί ένας κλάδος). Εάν η κερδοσκοπία είναι λανθασμένη, τα αποτελέσματα απορρίπτονται. Αυτή η τεχνική βελτιώνει σημαντικά την απόδοση, αλλά προσθέτει την πολυπλοκότητα και τον κίνδυνο εσφαλμένων αποτελεσμάτων εάν δεν διαχειρίζεται προσεκτικά.

* Ανάλυση ροής δεδομένων: Οι εξαρτήσεις δεδομένων υλικού παρακολουθεί τις εξαρτήσεις δεδομένων μεταξύ των οδηγιών για τη διασφάλιση της σωστής σειράς εκτέλεσης ακόμη και με την εκτέλεση εκτός τάξης.

Τεχνικές μεταγλωττιστή:

* Προγραμματισμός οδηγιών: Ο μεταγλωττιστής ανακατεύει τις οδηγίες για τη μεγιστοποίηση του ILP, λαμβάνοντας υπόψη τις εξαρτήσεις δεδομένων και τους περιορισμούς των πόρων. Αυτό είναι ζωτικής σημασίας τόσο για τις αρχιτεκτονικές Superscalar όσο και για τις αρχιτεκτονικές VLIW.

* ξετυλίγματα βρόχου: Επαναλαμβάνει το σώμα ενός βρόχου πολλές φορές, αυξάνοντας τον αριθμό των διαθέσιμων οδηγιών για παράλληλη εκτέλεση. Αυτό μπορεί να βελτιώσει το ILP αλλά μπορεί επίσης να αυξήσει το μέγεθος του κώδικα.

* Σωλήνες λογισμικού: Επικαλύπτει την εκτέλεση των επαναλήψεων ενός βρόχου, παρόμοια με την αγωγιμότητα στο επίπεδο διδασκαλίας. Αυτό είναι ιδιαίτερα αποτελεσματικό για βρόχους με σημαντικές εξαρτήσεις μεταξύ επαναλήψεων.

* Κατανομή εγγραφής: Αποδίδει αποτελεσματικά τους καταχωρητές σε μεταβλητές για να ελαχιστοποιηθεί η διαρροή καταχωρητών (αποθήκευση μεταβλητών στη μνήμη) και να βελτιώσει τον προγραμματισμό των οδηγιών.

* Εκτέλεση κατηγορίας: Επιτρέπει την εκτέλεση οδηγιών με βάση την υπό όρους με βάση ένα Boolean Predicate. Αυτό μπορεί να βελτιώσει την ILP αποφεύγοντας σε ορισμένες περιπτώσεις τα κλαδιά.

Προκλήσεις:

* εξαρτήσεις δεδομένων: Οι οδηγίες που εξαρτώνται από τα αποτελέσματα των προηγούμενων οδηγιών δεν μπορούν να εκτελεστούν ταυτόχρονα. Αυτό περιορίζει την ποσότητα ILP που μπορεί να επιτευχθεί.

* Εξάρτηση ελέγχου: Οι οδηγίες που εκτελούνται υπό όρους (με βάση τα υποκαταστήματα) δεν μπορούν να εκτελεστούν μέχρι να επιλυθεί η κατάσταση του κλάδου. Η πρόβλεψη του κλάδου βοηθά να μετριάσετε αυτό.

* Περιορισμοί πόρων: Οι περιορισμένες μονάδες εκτέλεσης και άλλοι πόροι υλικού μπορούν να περιορίσουν το επίπεδο παραλληλισμού που μπορεί να επιτευχθεί.

* πολυπλοκότητα: Η εφαρμογή τεχνικών ILP απαιτεί σημαντική πολυπλοκότητα υλικού και λογισμικού, αυξάνοντας το κόστος σχεδιασμού και την κατανάλωση ενέργειας.

Συνοπτικά, η εφαρμογή του ILP περιλαμβάνει μια συνεργιστική αλληλεπίδραση μεταξύ των εξελιγμένων σχεδίων υλικού και των προηγμένων βελτιστοποιήσεων του μεταγλωττιστή. Οι συγκεκριμένες τεχνικές που χρησιμοποιούνται εξαρτώνται από την αρχιτεκτονική -στόχο και τα χαρακτηριστικά του προγράμματος που εκτελείται. Οι σύγχρονοι επεξεργαστές χρησιμοποιούν ένα συνδυασμό αυτών των τεχνικών για την επίτευξη υψηλών επιπέδων παραλληλισμού σε επίπεδο διδασκαλίας.