Лекция 10.
Тема. Вычислительные системы с командными словами сверхбольшой длины.
План лекции.
Архитектура вычислительных систем со сверхдлинными командами.
Вычислительные системы с явным параллелизмом команд.
1. Архитектура вычислительных систем со сверхдлинными командами
Архитектура с командными словами сверхбольшой длины или со сверх-длинными командами (VLIW, Very Long Instruction Word) известна с начала 80-х годов. VLIW – это набор команд, организованных наподобие горизонтальной микрокоманды в микропрограммном устройстве управления.
Идея VLIW базируется на том, что задача эффективного планирования параллельного выполнения нескольких команд возлагается на «разумный» ком-пилятор. Такой компилятор вначале исследует исходную программу с целью обнаружить все команды, которые могут быть выполнены одновременно без возникновения конфликтов. В процессе анализа компилятор может даже час- тично имитировать выполнение рассматриваемой программы. На следующем этапе компилятор пытается объединить такие команды в пакеты, каждый из которых рассматривается как одна сверхдлинная команда. Объединение нес-кольких простых команд в одну сверхдлинную производится по следующим правилам:
количество простых команд, объединяемых в одну команду сверхболь- шой длины, равно числу имеющихся в процессоре функциональных (исполнительных) блоков (ФБ);
в сверхдлинную команду входят только такие простые команды, которые исполняются разными ФБ, т.е. обеспечивается одновременное исполне- ние всех составляющих сверхдлинной команды.
Длина сверхдлинной команды обычно составляет от 256 до 1024 бит. Та-кая метакоманда содержит несколько полей (по числу образующих ее прос- тых команд), каждое из которых описывает операцию для конкретного функ-ционального блока. На рис. 10.1 показан возможный формат сверхдлинной ко-манды и взаимосвязь между ее полями и ФБ, реализующими отдельные опе-рации.
Каждое поле сверхдлинной команды отображается на свой функциональ-ный блок, что позволяет получить максимальную отдачу от аппаратуры блока исполнения команд.
VLIW-архитектуру можно рассматривать как статическую суперскаляр- ную архитектуру. Распараллеливание кода производится на этапе компиляции, а не динамически во время исполнения. То, что в выполняемой сверхдлинной команде исключена возможность конфликтов, позволяет предельно упростить аппаратуру VLIW-процессора и добиться более высокого быстродействия.
В качестве простых команд, образующих сверхдлинную, обычно исполь-зуются команды RISC-типа, поэтому архитектуру VLIW иногда называют пост-RISC-архитектурой. Максимальное число полей в сверхдлинной команде равно
Рис. 10.1. Формат сверхдлинной команды и взаимосвязь полей команды с составляющими блока исполнения
числу вычислительных устройств и обычно колеблется в диапазоне от 3 до 20. Все вычислительные устройства имеют доступ к данным, хранящимся в еди- ном многопортовом регистровом файле. Отсутствие сложных аппаратных ме-ханизмов, характерных для суперскалярных процессоров (предсказание пере-ходов, внеочередное исполнение и т.д.) дает значительный выигрыш в быст-родействии и возможность более эффективно использовать площадь кристал- ла. Подавляющее большинство цифровых сигнальных процессоров и мульти-медийных процессоров с производительностью более 1 млрд операций/с ба-зируется на VLIW-архитектуре. Серьезная проблема VLIW – усложнение ре-гистрового файла и связей этого файла с вычислительными устройствами.