Обзор микроархитектур современных десктопных процессоров. Часть 3
Страница 3. Вопросы повышения эффективности доступа к данным

Вопросы повышения эффективности доступа к данным

В современных процессорах имеются различные средства, позволяющие повысить эффективность доступа к данным в памяти и снизить потери на ожидание их прихода, а также прочие задержки и затраты на организацию этого доступа. Наиболее важными из этих средств являются механизмы предвыборки из памяти. В каждом из рассматриваемых процессоров реализовано два таких механизма — программная предвыборка (software prefetch), и автоматическая аппаратная предвыборка (hardware prefetch).

Наличие машинных инструкций программной предвыборки позволяет организовать пересылку данных из оперативной памяти в кэши процессора заблаговременно, с таких расчётом, чтобы ко времени использования этих данных они уже оказались бы в кэшах. Особенность операции предвыборки состоит в том, что она лишь инициирует считывание данных из памяти, после чего считается завершённой. В отличие от обычной операции доступа к памяти, операция предвыборки не должна ожидать прихода данных в конкретный регистр, поэтому она не блокирует другие операции в буфере переупорядочения ROB и может быть отправлена в отставку немедленно. Использование же операции фиктивной загрузки данных в регистр (с целью ускорения их прихода в кэш) привело бы к такому блокированию — несмотря на то, что значение, считанное в регистр, не понадобилось бы никакой другой операции.

Существуют различные варианты инструкций предвыборки — считывание из памяти в L2-кэш, считывание из памяти или из L2-кэша в L1-кэш, считывание блока для его последующей модификации, либо для одноразового использования. В процессоре P-4 реализована предвыборка только в L2-кэш.

Автоматическая аппаратная предвыборка представляет собой механизм, который распознаёт последовательные (или иные регулярные) обращения в память и пытается производить опережающую подкачку данных. В некоторых процессорах этот механизм умеет работать как в прямом, так и в обратном направлении (то есть как по возрастанию, так и по убыванию адресов в памяти) и может распознавать несколько независимых последовательностей адресов, обеспечивая тем самым предвыборку нескольких потоков данных.

Наиболее совершенные механизмы программной и аппаратной предвыборки реализованы в новом процессоре P8 (Intel Core).

Ещё один механизм работы с памятью связан с особенностями загрузки и выгрузки в условиях внеочередного исполнения. В связи с тем, что операция может считаться корректно выполненной только к моменту ухода в отставку и не ранее, чем будет отставлены все предшествующие операции, физическая запись в кэши или в память не может быть произведена до этого момента. По этой причине все результаты выгрузки (записи) в память накапливаются в специальном буфере упорядочения обращений к памяти MOB (Memory Order Buffer). Физическая запись данных из этого буфера в кэш производится только в момент отставки соответствующей инструкции. Если операция загрузки (чтения) из памяти адресует элемент данных, который оказался в этом буфере, то он считывается непосредственно из буфера.

В условиях внеочередного исполнения может получиться, что операция загрузки окажется готовой к выполнению раньше, чем выполнится операция выгрузки, записывающая данные в память по тому же адресу. Также может оказаться, что адрес данных в какой-либо операции выгрузки ещё не вычислен, и есть риск, что рассматриваемая операция загрузки могла бы обратиться как раз к этим данным по этому адресу. Чтобы избежать проблем такого рода, в процессорах обычно реализуют консервативные схемы управления операциями обращения в память, с запретом на выполнение любых рискованных операций, которые могли бы привести к чтению некорректных данных. Однако такие консервативные схемы могут помешать внеочередному исполнению «безопасных» операций и привести к снижению производительности.

На практике вероятность конфликтов по адресам такого рода обычно невелика. Поэтому при наличии в процессоре механизма восстановления в случае выполнения некорректной операции обращения в память можно было бы отказаться от запрета на выполнение рискованных операций. В процессоре P8 (Intel Core) такой механизм реализован — он идентичен механизму восстановления после неправильно предсказанного перехода, когда в момент отставки инструкции перехода производится окончательная проверка правильности предсказания.

Помимо механизма восстановления, в процессоре P8 имеется также дополнительный «предсказатель», назначение которого состоит в снижении вероятности исполнения рискованной операции загрузки из памяти. Если такой загрузке предшествует операция выгрузки с не вычисленным (на данный момент) адресом памяти, производится предсказание конфликта по адресам на основе информации о предыдущем поведении этой операции загрузки. Если предсказывается отсутствие конфликта, операция загрузки запускается на выполнение. Если в момент отставки этой инструкции выяснится, что предсказание было неверным, и произошёл конфликт по адресам с операцией выгрузки, то операция загрузки будет отменена вместе со всеми последующими операциями, и будет произведено её повторное выполнение. Описанный механизм получил название «устранение неоднозначностей в памяти» (Memory Disambiguation).

В заключение рассмотрим ещё один микроархитектурный механизм, который связан с вычислением адресов для обращений в память — работу с аппаратным стеком. Адрес вершины аппаратного стека хранится в регистре ESP. Изменение этого регистра может происходить как неявно, при помещении или удалении данных из стека (инструкции PUSH и POP) либо при входе или выходе в подпрограмму (инструкции CALL и RET), так и явно, в обычной целочисленной инструкции. Традиционно инструкции, использующие регистр ESP и неявно изменяющие его, преобразовывались декодером в два МОПа, один из которых производил содержательное действие, а другой — выполнял операцию сложения или вычитания для регистра ESP.

В процессорах P-M, P-M2 и P8 введён специальный механизм под названием «Dedicated Stack Engine». Этот механизм отслеживает (на этапе декодирования инструкций) текущее положение вершины стека и заменяет в порождаемых МОПах адресацию данных по «меняющемуся» регистру ESP на сумму некоторого «постоянного» базового адреса стека и отслеживаемого смещения. Таким образом, отпадает необходимость постоянно модифицировать регистр ESP — теперь его нужно вычислять только в случае явного использования в качестве операнда или индекса. Благодаря этому исчезают ненужные зависимости между операциями по этому регистру, снижается число МОПов в указанных инструкциях (с двух до одного), повышается эффективность работы декодера и увеличивается общая производительность процессора.