Технологии многопоточности

Основные направления развития архитектуры современных микропроцессоров определяются стремлением к увеличению их производительности. Последнюю можно повышать, например, наращивая тактовую частоту и (или) увеличивая число команд, выполняемых за один такт.

Одно из решений данной проблемы связано с реализацией концепции " параллелизма на уровне тредов (потоков) " - TLP (Thread Level Parallelism). Если программные коды не в состоянии загрузить работой все или даже большинство функциональных устройств, то можно разрешить процессору выполнять более чем одну задачу (тред, или поток), чтобы дополнительные потоки загрузили простаивающие устройства. Здесь нетрудно усмотреть аналогию с многозадачной операционной системой: чтобы процессор не простаивал, когда задача оказывается в состоянии ожидания (например, завершения ввода-вывода), операционная система переключает процессор на выполнение другой задачи. Более того, некоторые механизмы диспетчеризации в операционной системе (например, квантование) имеют аналоги в многопотоковой архитектуре (MTA - MultiThreading Architecture). Очевидно, архитектура, поддерживающая параллелизм на уровне потоков (TLP), должна гарантировать, что тредыне будут использовать одновременно одни и те же ресурсы, для чего требуются дополнительные аппаратные средства (например, дублирование регистровых файлов). Однако оказалось, что можно реализовать МТА на базе современных суперскалярных процессоров, и это требует лишь относительно небольших аппаратных доработок, что резко повышает привлекательность МТА в глазах проектировщиков.

При использовании базового типа параллелизма на уровне потоков (TLP) в микропроцессоре необходимо иметь не менее двух аппаратных расширений для потоков. Это регистры общего назначения, счетчик команд, слово состояния процесса и т. п.

В любой момент времени работает только один поток (тред). Он выполняется до возникновения определенной ситуации (например, выполнения команды загрузки регистра при отсутствии данных в кэш-памяти). В этом случае процессор переключается на выполнение другого потока. Поскольку при непопадании в кэш-память операции с памятью могут потребовать до сотни тактов процессора, его простои по причине ожидания данных могли бы быть весьма значительными. Современные процессоры, имеющие возможности спекулятивного внеочередного выполнения команд, в подобной ситуации могут продолжить выполнение других команд, но на практике число независимых команд быстро исчерпывается и процессор останавливается.

Архитектура с одновременным выполнением тредов - SMT (Simultaneous Multi- Threading) допускает одновременное выполнение нескольких потоков. В этом случае на каждом новом такте на выполнение в какое-либо исполнительное устройство может направляться команда любого потока. По сравнению с суперскалярными процессорами, поддерживающими внеочередное спекулятивное выполнение команд и использующими механизм переименования регистров, для SMT необходимы, в частности, следующие аппаратные средства:

 несколько счетчиков команд (по одному на поток) с возможностью выбора любого из них на каждом такте;

 средства, ассоциирующие команды с потоком, которому они принадлежат (необходимы, в частности, для работы механизмов предсказания переходов и переименования регистров);

 несколько стеков адресов возврата (по одному на поток) для предсказания адресов возврата из подпрограмм;

 специальная дополнительная память в процессоре (в расчете на каждый поток) для процедуры удаления из буфера выполненных вне очереди команд.

Одна из основных особенностей SMT у многих современных процессоров - переименование регистров, когда логические (архитектурные) регистры отображаются в физические, с которыми и ведется реальная работа. Техника переименования регистров может, очевидно, применяться для того, чтобы избежать прямого дублирования файлов регистров, как аппаратной принадлежности потока.

Дата добавления: 2014-01-07