Организация ЭВМ и систем. VLIW архитектура. Особенности IA – 64. Особенности EPIC. (Леция 7)

Июль 30, 2022

Главная
Разное
Организация ЭВМ и систем. VLIW архитектура. Особенности IA – 64. Особенности EPIC. (Леция 7)

Содержание

2. Предложенные в IA – 64 архитектурные идеи близки к концепции VLIW (Very Large Instruction World –
3. В IA – 64 2 нововведения по сравнению с RISC процессорами: Применение технологии явного параллелизма на
4. Особенности EPIC Большое количество регистров. Масштабируемость архитектуры до большого количества функциональных устройств. Это свойство представители фирмы
5. Описание IA - 64 Регистры IA – 64: 128 64-разрядных регистров общего назначения. 128 80-разрядных регистров
6. Архитектура Е2К (реализована в суперкомпьютере Эльбрус 3) В E2K используются команды переменной длины. Общий формат команд
7. В архитектуре E2K представлен сверхбольшой файл регистров. Все регистры E2K являются универсальными и могут содержать как
8. Еще одна особенность E2K – регистровое окно для процедуры. Это решение является традиционным для машин серии
9. Кэш данных второго уровня в E2K имеет емкость 256 Кбайт при времени доступа в 8 тактов.
10. В Е2К предусматриваются два варианта подключения третьего уровня – кэш: непосредственно к процессору Е2К, что позволяет
11. Кроме того, имеется 4 канала для данных с плавающей запятой, по 2 на кластер. В каждом
12. В E2K целочисленный конвейер имеет длину 8 тактов (собственно выполнение идет на седьмом такте, а обратная
13. Хотя в IA-64 предикатных регистров формально в 2 раза больше, чем в E2K, реально их практически
14. Компилятор E2K порождает коды для обоих ветвей программы, возникающих при условном переходе, и, пользуясь большим числом
15. Еще некоторые особенности архитектуры E2K: тегирование данных, поддерживаемое во всей линейке процессоров ЭВМ «Эльбрус»; сегментно-страничная организация
16. Компилятор порождает коды для обоих ветвей программы и заставляет процессоры выполнять обе ветви программы (спекулятивно). Тегирование
17. Сравнительные характеристики E2K и Alpha 21264
20. Скачать презентацию

Слайд 2

Предложенные в IA – 64 архитектурные идеи близки к концепции

VLIW (Very Large Instruction World – сверх большое командное слово).
VLIW -это набор команд, реализующий горизонтальный микрокод.
Несколько (4-8) простых команд упаковываются компилятором в длинное слово. Такое слово соответствует набору функциональных устройств. VLIW архитектуру можно рассматривать, как статическую суперскалярную архитектуру. Имея ввиду, что распараллеливание кода производится на этапе компиляции, а не динамически во время исполнения. То есть, в машинном коде VLIW присутствует явный параллелизм.

VLIW архитектура

Слайд 3

В IA – 64 2 нововведения по сравнению с RISC

процессорами:
Применение технологии явного параллелизма на уровне команд (EPIC – Ecplicitly Parallel Instruction Computing).
Применение предикатных вычислений. Предикаты – способ обработки ветвлений (условных переходов).

Особенности IA – 64

Слайд 4

Особенности EPIC
Большое количество регистров.
Масштабируемость архитектуры до большого количества функциональных устройств. Это

свойство представители фирмы Intel и HP называют «наследственно масштабируемый набор команд».
Явный параллелизм в машинном коде. Поиск зависимостей между командами производит не процессор, а компилятор.
Предикация. Команды из разных ветвей условного Ветвления снабжаются предикатными полями (полями условий) и запускаются параллельно.
Загрузка по предположению. Данные из медленной основной памяти загружаются заранее.

Слайд 5

Описание IA - 64
Регистры IA – 64:
128 64-разрядных регистров общего

назначения.
128 80-разрядных регистров вещественной арифметики.
64 1-разрядных предикатных регистров.
Формат команды IA – 64:
Идентификатор команды.
Три 7-разрядных поля операндов – 1 приемник и 2 источника.
Особые поля для вещественной и целой арифметики.
6-разрядное предикатное поле (64=2^6).
Предикация
Загрузка по предположению

Слайд 6

Архитектура Е2К (реализована в суперкомпьютере Эльбрус 3)
В E2K используются команды

переменной длины. Общий формат команд E2K представлен на рисунке.
Команда E2K состоит из слогов длиной 32 разряда каждый. Число этих слогов может меняться от 2 до 16, причем данную архитектуру можно еще расширить – до 32 слогов.
Любая команда всегда включает 1 слог заголовка и еще от 1 до 15 слогов, указывающих на операции, которые могут выполняться параллельно. Слог заголовка содержит информацию о структуре команды и ее длине, что облегчает дешифрацию команды переменной длины. Применение заголовка позволяет не проводить предварительного декодирования команд перед их помещением в кэш команд.

Заголовок

Слог 1

…

Слог №

Слайд 7

В архитектуре E2K представлен сверхбольшой файл регистров. Все регистры E2K

являются универсальными и могут содержать как целочисленные данные, так и числа с плавающей запятой. Всего имеется 256 регистров длиной по 64 разряда каждый.
В E2K есть два почти симметричных кластера, каждый из которых содержит по 256 регистров. Всего в этом процессоре имеется 30 регистровых портов: 20 портов чтения (по 10 портов на кластер) и 10 портов записи.
В Alpha 21264 применяется реализованное во многих суперскалярных процессорах динамическое пере-именование регистров. Этого механизма в E2K нет, так как в нем подобные задачи возлагаются на компилятор, однако в циклах с постоянным шагом применяется аналогичная схема циклической замены используемых регистров.

Слайд 8

Еще одна особенность E2K – регистровое окно для процедуры. Это

решение является традиционным для машин серии «Эльбрус», однако особенно важным оно является для E2K, поскольку он содержит сверхбольшое количество регистров – 256.
Затраты на сохранение/восстановление регистров в данной ситуации становятся весьма значительными. Поэтому реализация в E2K аппаратного механизма переключения окон представляется актуальной. Окно регистров в E2K имеет переменную длину (до 192 регистров). Адресация регистров внутри контекста происходит относительно текущей базы, и при вызове другой процедуры достаточно сменить значение базы.
Кэш данных первого уровня в E2K имеет емкость всего 8 Кбайт и продублирован в каждом из кластеров. Этот кэш является прямоадресуемым, использует алгоритм сквозной записи данных.

Слайд 9

Кэш данных второго уровня в E2K имеет емкость 256 Кбайт

при времени доступа в 8 тактов. Он является двухканальным частично-ассоциативным и имеет 4 банка, то есть обеспечивает 4-кратное расслоение кэш-памяти. В кэше данных второго уровня применяется алгоритм обратной записи. Он также является неблокирующим.
Кроме этого в E2K представлен специализированный кэш предварительной выборки, который разработчики назвали буфером предварительной подкачки. Он является частью устройства доступа к массивам и задействуется только при работе с массивами в циклах. Его емкость составляет всего 4 Кбайт, и он состоит из 2 банков с 2 портами в каждом из них. За один такт в буфер можно считать, следовательно, до 4 слов длиной 8 байт. Буфер организован как очередь FIFO и имеет до 64 зон предварительной выборки.

Слайд 10

В Е2К предусматриваются два варианта подключения третьего уровня – кэш:

непосредственно к процессору Е2К, что позволяет разгрузить «системную шину» – коммутатор, или через набор коммутаторных микросхем.
Функциональные устройства (ФУ) E2K разнесены по двум кластерам. Эти кластеры содержат по 3 одинаковых целочисленных конвейера – АЛУ (правда, один из кластеров имеет также ФУ деления – целочисленного и с плавающей запятой).
В каждом кластере представлены также адресные сумматоры, которые имеются для 2 из 3 путей («каналов») данных. В результате каждый кластер может одновременно выполнять до 2 операций загрузки регистров или 1 операцию записи в оперативную память. Возможен и смешанный случай: 2 загрузки плюс одна запись.

Слайд 11

Кроме того, имеется 4 канала для данных с плавающей запятой,

по 2 на кластер. В каждом канале может выполняться команда типа MADD – «умножить-и-сложить», что дает темп 8 результатов с плавающей запятой за такт.
Сам набор команд E2K «богаче», чем у традиционных RISC-процессоров: в нем представлены четырехадресные команды, например, типа d=a+b+c. Такого нет и в IA-64. Что касается команд с плавающей запятой, то кроме полной поддержки IEEE754 в E2K реализована работа с 80-разрядным представлением Intel x86. При этом операнды хранятся в парах 64-разрядных регистров E2K. Правда, сложение/умножение таких чисел не полностью конвейеризовано. Кроме того, для приближения системы команд E2K к x86 в E2K реализованы также команды расширения ММХ.

Слайд 12

В E2K целочисленный конвейер имеет длину 8 тактов (собственно выполнение

идет на седьмом такте, а обратная запись – на восьмом) против 7 тактов в Alpha 21264.
Е2К обеспечивает очень высокий уровень одновременно выполняемых операций: в команде их кодируется до 23 (сюда кроме арифметико-логических операций входят также доступ в оперативную память, приращение индекса массива и т.п.). Эффективные показатели параллельной работы ФУ у E2K выше, чем у всех суперскалярных процессоров.
В архитектуре E2K, как и в IA-64, делается все, чтобы по возможности исключить обычные операции перехода. Для этого в E2K имеется 32 одноразрядных регистра-предиката, причем команда способна сформировать до 7 предикатов: 4 в операциях сравнения в АЛУ и еще 3 – в операциях логики.

Слайд 13

Хотя в IA-64 предикатных регистров формально в 2 раза больше,

чем в E2K, реально их практически столько же, так как в IA-64 хранятся пары – предикат и его отрицание. В IA-64 поля предикатов всегда представлены в команде, а в E2K – могут отсутствовать. Предикаты могут использоваться в канале АЛУ или в канале доступа к массивам; для указания на это используются условные слоги, содержащие маски предикатов и ФУ. Всего в этих слогах может кодироваться до 6 предикатов, указывающих на то, нужно ли выполнять соответствующие операции из «широкой» команды.

Слайд 14

Компилятор E2K порождает коды для обоих ветвей программы, возникающих при

условном переходе, и, пользуясь большим числом ФУ и регистров, заставляет процессоры выполнять обе ветви программы. Та же процедура применяется и в IA-64. До тех пор, пока условие перехода остается неизвестным, обе ветви выполняются спекулятивно. Когда, наконец, условие найдено, выбираются нужные результаты. Признак спекулятивного выполнения взводится при этом в специальном бите в коде операции в соответствующем слоге. При возникновении ситуации исключения (exception) результат снабжается тегом недействительного значения.
В файле предикатов E2K, как и в регистровом файле, используются окна.

Слайд 15

Еще некоторые особенности архитектуры E2K:
тегирование данных, поддерживаемое во всей

линейке процессоров ЭВМ «Эльбрус»;
сегментно-страничная организация памяти;
поддержка мультипрограммирования в стиле x86. В сочетании с разработанными средствами двоичной компиляции и специальными аппаратными средствами ее поддержки это позволяет выполнять x86-коды на E2K.
Поддерживается также двоичная компиляция для SPARC-архитектуры.
По материалам: Отечественные микропроцессоры: Elbrus E2K
Михаил Кузьминский/17.05.1999. Открытые системы, #05-06/1999

Слайд 16

Компилятор порождает коды для обоих ветвей программы и заставляет
процессоры

выполнять обе ветви программы (спекулятивно).
Тегирование данных (теговая память).
сегментно-страничная организация и мульти-
программирование в стиле х86.

Слайд 17