第三章 指令级并行 计算机系统结构

见图3.2：结论 1.随着窗口大小的减小，可开发的指令级并 行度严重下降。 2.定点程序的指令级并行度要少于浮点程序 的指令级并行度。 3.与理想情况相比，实际的窗口大小回事指 令的吞吐量严重下降。 因此，我们以后假设窗口大小为2K,最大发射 能力为每时钟周期64条指令。
实际转移和跳转预测的影响
多线程主要有两种方法： 细密度多线程和粗密度多线程 细密度多线程能够在指令之间进行线 程切换，从而使多个线程交替执行。 粗粒度多线程作为细粒度多线程的替 代方法而设计的，只在发生代价较高的停顿 时才切换线程，比如二级Cache缺失。
同时多线程：将线程并行转化为指 令级并行
见图3.8 1.不支持多线程的超标量处理器 2.支持粗粒度多线程的超标量处理器 3.支持细粒度多线程的超标量处理器 4.支持同时多线程的超标量处理器
3.3实际处理器中的指令级并行性限制
预先设定以下一组属性： 1.没有发射限制，每时钟周期至少发射64条 指令。 2.1K入口的tournament预测器和16入口 的返回预测器。 3.动态的、完美地消除存储器引用的二义性 4.64个附加定点寄存器和64个附加浮、点 寄存器用于寄存器重命名。
图3.7 ：
3.2指令级并行性限制的研究
理想处理器： 1.寄存器重命名：可用寄存器数量没有限制 2.转移预测：能够准确预测所有的调剂转移。 3.跳转预测：能够预测所有的跳转。 4.存储器地址别名分析：能够准确确定所有 的存储器地址（最佳地址别名分析）。 5.最优Cache：所有的存储器访问花费一个 时钟周期。
窗口大小对定点程序的影响不如对浮点程 序（循环级并行度较高，因此可开发的指令 级并行度较高）的影响大。
怎样在简单的、有大容量Cache和高时钟 频率的处理器与强调指令级并行度但时钟 频率较慢且Cache容量较小的处理器之间 做出权衡。见例题
克服研究模型的限制
完美模型中的主要限制： 1.访问存储器的WAW和WAR冒险。 2.多余的相关。 3.克服数据流的限制。 本节中讨论的这些限制理论上并不是无法 克服的。
图3.10中所示当前最新的四种高性能处 理器的特性 和总体性能同等重要的是对硅晶体面积 和功耗的利用率。 四种方法中没有哪一种是可以用来高效 开发指令级并行的捷径。
有限存储器的影响
图3.5结论： 说明了减少重命名可用寄存器的数量的 对并行度的影响，浮点寄存器和定点寄存器 的数目随寄存器数量的增长而增长。 使用无限数量的寄存器仍然是不现实的。
非完美别名分析的影响
三种存储器别名分析模型： 1.全局/堆栈完美分析模型 2.检测分析模型：在编译阶段对访问操作 进行检测，以确定它们是否会相互影响。 3.无分析 要想获得更高的并行度，就必须有复杂编 译技术和按需动态分析的支持。
目前用来提升多发射处理器性能的技术都是 低效的，原因有二： 1.多发射会增加一些逻辑开销，而这类 开销的增长速度要快于发射率的增长速度。 2.发射速率的峰值与持续性能之间差距 的拉大。 推测永远不可能是完美的， 且对于绝大 多数实际程序来说，推测处理器不可能节约 能源。
3.6综合:高级多发射处理器的性能和效率
第三章 指令级并行性的限制
3.1介绍 3.2指令级并行性限制的研究 3.3实际处理器中的指令级并行性限制 3.4相关问题:硬件推测和软件推测 3.5多线程:使用指令级并行支持线程级并行 的开发 3.6综合:高级多发射处理器的性能和效率
3.1 介绍
指令级并行性的限制： 程序结构、硬件的预测以及推测使用 的关键技术（如转移预测等）的准确率。
3.4 相关问题：硬件推测和软件推测
硬件推测方法和软件方法为我们开发指令 级并行度提供了不同的选择。如何在两者之 间做出权衡？
3.5多线程：使用指令级并行支持线程级 并行的开发
由于逻辑结构为可独立执行的线程，因此 称这种高层并行度为线程级并行。 与开发循环或直线型代码中的并行操作的 指令级并行不同，线程级并行的目标是开发 多个执行线程之间内在的并行性。 开发线程级并行所学要的成本要比指令 级并行低得多。
同时多线程对性能起到的实际作用比当初 的研究结果逊色得多。 大多数设计者更倾向于在单独的CPU晶片 上实现多个核心，同时辅以轻量级的多发射 和多线程的支持。
是什么限制了多发射处理器
功耗是限制当代处理器的首要因素。 功耗是静态功耗和动态功耗的函数。 静态功耗随晶体管的数量成比例增长，动功耗通常是能源的主要 消费者。
同时多线程的设计挑战
平衡单线程性能同多线程性能之间的矛盾 同时多线程处理器的设计还面临一些其他 的挑战 注：1.在大多数情况下，由多线程引起的开 销通常是很小的，简单的选择已经足够应付 2.当前超标量处理器的效率相当低， 还有很大的上升空间，在这种情况下即使付 出一些代价也是值得的。
同时多线程的潜在性能优势
窗口大小和最大发射数的限制
窗口： 为了实现并行执行，需要对指令之间是 否存在相关进行检测，被检测指令的合称为 窗口。 限制： 所需的存储容量、能够承受的比较次数 以及有限的发射速率，大窗口未必能发挥更 大的作用。 最大吞吐量有可能受到发射速率的限制。
窗口大小直接限制了在给定时钟周期内开始 执行的指令数量。实际上，可以在同一时钟 周期内发射、启动执行或提交的指令数量通 常要远远低于窗口大小。
转移预测的五个等级： 1.完美：所有的跳转和转移都在执行开始时 被准确地预测。 2.基于tournament的转移预测器：使用相 关2bit预测器和不相关2bit预测器，结合使 用选择器。 3.有512个2bit入口的标准2bit预测器。 4.基于历史的预测器 5.无转移预测
图3.3 转移预测方法的影响 结论：在两种浮点程序中，转移行为要比在其他 程序中简单得多，这主要是由于这两种程序的 转移较少，且大部分转移的可预测性非常高。 因此，我们可以通过实际的转移预测方法开发 更高的并行度。