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08. メモリ非曖昧化. 五島 正裕. 内容. データ依存 メモリ非曖昧化 ストア・セット・メモリ依存予測器. データ依存. 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. データ依存. I p. - PowerPoint PPT Presentation
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AdvancedComputer
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
AdvancedComputer
Architecture
データ依存
Advanced Computer Architecture
r4 + r3
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
add r4 =
add r5 =
r1 + r2
Write
Read
Advanced Computer Architecture
データ依存
後 続 命 令 Is
Read Write
先行命令
Ip
Read
入力依存 (input) 逆依存 (anti)
Write
フロー依存 (flow) 出力依存 (output)
Ip
Is
Ip
Is
Ip
Is
Ip
Is
time
time
time
time
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];
opop RsRs RtRt immediateimmediate031 152025
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 r1 = *(sp + 0) // ald r1 = *r1ld r2 = *(sp + 16) // xmul r1 = r1 * r1st *r2 = r1
ld r3 = *(sp + 8) // bld r3 = *r3ld r4 = *(sp + 24) // ymul r3 = r3 * r3st *r4 = r3
ret
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
ld
st
ld
st
ILP (Inst Level Parallelism)
ld
st
ILP
st
ld
AdvancedComputer
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); ストア命令: *(r[Rs] + immediate) = r[Rt];
opop RsRs RtRt immediateimmediate031 152025
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?
DRMDR
100100
PC
Main Memory
1000
MA MD
200
0
IF
ID
EX
MEM
WB
100
208
IR
RegFile
8ld 1 2
Rs
Rt 1add 2 3104
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
new
0
1
2
3
0 1 2effectiveaddress 先行命令
=? rdyL/S Valid
Load ― ― 1
Store
0 ― 0
1= 0
≠ 1
L/S V
AdvancedComputer
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
PC of Fetched Instructions
構造と動作
SSID X
SSID X
SSID X
SSID Table
LastFetched
StoreTable
X
S
S
L
SSID : Store Set ID
S1
S2
L
S1S2
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
new
0
1
2
3
effectiveaddress 先行命令
=? rdyL/S Valid
Load ― ― 1
Store
0 ― 0
1= 0
≠ 1
L/S V
AdvancedComputer
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