メモリ・ディスアンビギュエーション
Download
Report
Transcript メモリ・ディスアンビギュエーション
Advanced
Computer
Architecture
08. メモリ非曖昧化
五島 正裕
Advanced Computer Architecture
内容
1. データ依存
2. メモリ非曖昧化
3. ストア・セット・メモリ依存予測器
Advanced
Computer
Architecture
データ依存
Advanced Computer Architecture
データ依存
制御駆動型 (control-driven) (⇔ データ駆動,data-driven)
命令間のデータの授受は,
プログラム・オーダ上で,先行/後続の関係にある2命令が,
同一のロケーションを参照する
ことで表現
ロケーション:レジスタ と メモリ
Write
add r4 = r1 + r2
add r5 = r4 + r3
Read
Advanced Computer Architecture
データ依存
後 続 命 令 Is
Read
Read
先
行
命
令
Write
Ip
Ip
Is
Is
time
time
入力依存 (input)
Ip
Write
time
逆依存 (anti)
Ip
Ip
Is
Is
フロー依存 (flow)
time
出力依存 (output)
Advanced Computer Architecture
ロード/ストア命令
ロード命令
r[Rt] = *(r[Rs] + immediate);
ストア命令
*(r[Rs] + immediate) = r[Rt];
op
31
Rs
25
Rt
20
immediate
15
0
Advanced Computer Architecture
レジスタとメモリの違い
レジスタ番号
静的
(実行の度に)変わらない
フロントエンド(デコード・ステージ)で分かる
メモリのアドレス
動的
実行の度に変わり得る
バックエンド(アドレス計算(実行)ステージ)で初めて分かる:「曖昧」
Advanced Computer Architecture
メモリの曖昧性による偽の依存
偽の依存:
先行するストアのアドレスが計算されるまで,
後続のロード/ストアは 原則 実行できない
「計算したら違ってた」
Advanced Computer Architecture
コード例
f (double* a, double* b,
double* x, double* y)
{
*x = *a * *a;
*y = *b * *b;
}
x == b ?
ld
ld
ld
mul
st
r1 = *(sp + 0)
r1 = *r1
r2 = *(sp + 16)
r1 = r1 * r1
*r2 = r1
// a
ld
ld
ld
mul
st
r3 = *(sp + 8)
r3 = *r3
r4 = *(sp + 24)
r3 = r3 * r3
*r4 = r3
// b
ret
// x
// y
Advanced Computer Architecture
解決法
防止(予防,prevention):
ロード/ストアは in-order で
発見 & 回復 (detection & recovery):
依存なしと予測して out-of-order で
メモリ・オーダ違反 (memory-order violation) を発見
0~7% のロードがメモリ・オーダ違反 ⇒ ペナルティ
理想 (ideal, oracle):
IPC 最大2倍
Advanced Computer Architecture
IPC 2倍の理由
「計算のかたまりがオーバラップする」
「計算のかたまりは,ロードではじまり,ストアで終わる」
「真のメモリ・データ依存がクリティカルになるようなコードは,
最適化されてない?」
目標:
ロードを,特に早期に実行したい
(ストアは,そんなでもない)
コンパイラより上手にできる
Advanced Computer Architecture
オーバラップ実行
ILP
(Inst Level Parallelism)
ld
ILP
ld
ld
st
st
ld
st
st
Advanced
Computer
Architecture
メモリ非曖昧化 (memory disambiguation)
Advanced Computer Architecture
メモリ・ディスアンビギュエーション
ディスアンビギュエーション (disambiguation):
「非曖昧化」,「曖昧性除去(解消)」
分離 (split) ロード/ストア
アドレス予測
アドレス一致/不一致予測
Advanced Computer Architecture
ロード/ストア命令
通常のロード/ストア命令:
アドレス計算部
メモリ・アクセス部
ロード命令 :
r[Rt] = *(r[Rs] + immediate);
*(r[Rs] + immediate) = r[Rt];
ストア命令:
op
31
Rs
25
Rt
20
immediate
15
0
Advanced Computer Architecture
分離ロード/ストア
通常のロード/ストア命令:
アドレス計算部
メモリ・アクセス部
分離ロード/ストア:
ディスパッチ時に分離,以降 2つの命令としてスケジューリング
効果:
ストア・バリューがなくても,アドレス計算が開始できる
バリューより,アドレスが早く決まることが多い
ロードは変わらない
バリューに相当するソース・オペランドがないから
Advanced Computer Architecture
ロード/ストア命令
普通の ISA のロード/ストア命令:
非分離 (non-split) を想定
理由:
パイプライン・マシンで,ALU でアドレス計算をすることを想定
コード効率の改善(命令の圧縮)
非 RISC 的?
100
IF
PC
IR
0
200
ID
Rs
100 ld 1 2
104 add 2 3
Rt
Reg
File
EX
MEM
WB
208
DR
MDR
MA MD
8
1
1000
Main Memory
18
Advanced Computer Architecture
アドレス予測
ロード/ストアのアドレスを予測
単純にロードを早期実行する効果
非曖昧化の効果
値予測の一種
だが,値予測より歴史が古い
メモリ・アクセスがストライドであることは容易に想像できる
Advanced Computer Architecture
ハードウェア
今までの方法:
分離ロード/ストア
アドレス予測
実際にアドレスの一致検出を行う
スケジューリングのために,比較器のマトリクス(行列)が必要!
比較器数 ≒ ½ ×(ウィンドウ・サイズ)2
もう1つの方法:
アドレス一致/不一致予測
Advanced Computer Architecture
比較器のマトリクス
old
L/S V
effective
address
0
1
2
先行命令
rdy
―
―
1
0
―
0
=
0
≠
1
L/S
Valid
1
Load
2
Store
3
new
=?
0
1
Advanced
Computer
Architecture
ストア・セット・メモリ依存予測器
Advanced Computer Architecture
ストア・セット
あるロードのストア・セットとは:
そのロードが依存したことがあるストアの集合
計算の方法:recovery-based
最初「依存していない」としておいて,
オーダ違反 (memory-order violation) を検出して,追加
利用の方法:
ロードは,そのストア・セット内のストアに依存すると予測
Advanced Computer Architecture
予測器の実装
原理的には:
ストア・セット内のすべてのストアが実行された後でロードを実行
実装上の制限:
ストア・セット内のストアは in-order で実行
In-order チェイン:
ストア → ストア → … → ストア → ロード
Advanced Computer Architecture
構造と動作
SSID Table
S1
SSID X
S
S2
S
L
L
SSID X
Last
Fetched
Store
Table
S21
X
SSID X
PC of Fetched Instructions
SSID : Store Set ID
Advanced Computer Architecture
Recovery-Based
ストア・セットの計算の方法:recovery-based
最初「依存していない」としておいて,
オーダ違反 (memory-order violation) を検出して,追加
Violation の検出:
比較器数 ≒(ウィンドウ・サイズ)×(発行幅)
「教訓」:
厳密にやるより,いい加減にやったほうがうまくいく(こともある)
Advanced Computer Architecture
比較器のアレイ
old
L/S V
effective
address
先行命令
rdy
―
―
1
0
―
0
=
0
≠
1
L/S
Valid
1
Load
2
Store
3
new
=?
0
1
Advanced
Computer
Architecture
今日のまとめ
Advanced Computer Architecture
メモリ・データ依存
データ依存:
レジスタ
メモリ
メモリのデータ依存:
動的
アドレス計算しないと分からない:「曖昧」
Advanced Computer Architecture
メモリ参照の曖昧性による偽の依存
ストアのアドレスが決まるまで,後続のロード/ストアは実行できない
保守的 (conservative) な方法:
ロード/ストアは in-order で
ロードは,特に早期に実行したい
「計算のかたまりは,ロードではじまり,ストアで終わる」
ストアは,そんなでもない
真のメモリ・データ依存がクリティカルであるようなプログラムは,
最適化されてない?
Advanced Computer Architecture
ディスアンビギュエーション
ディスアンビギュエーション(非曖昧化,曖昧性除去,解消)
分離ロード/ストア
アドレス予測
アドレス一致/不一致予測
ストア・セット依存予測器