logo
Методичка

6.6 Декодирование команд, переименование ресурсов и диспетчеризация

Независимо от того, выбраны команды на исполнение в суперскалярном микропроцессоре или микропроцессоре с длинным командным словом, далее происходит их декодирование и подготовка ресурсов для их исполнения. На этой фазе определяются существенные зависимости (RAW) по данным между командами и преодолеваются несущественные (WAW, WAR), производится распределение команд по буферам команд функциональных устройств.

При декодировании команды создается одна или несколько упорядоченных троек, каждая из которых включает:

Для преодоления лишних WAR- и WAW-зависимостей, возникающих в результате ограниченности логических ресурсов (ячеек памяти, регистров), используется механизм динамического отображения определяемых текстом программы логических ресурсов на физические ресурсы микропроцессора. При данном подходе с одним логическим ресурсом может быть связано несколько значений в различных физических ресурсах, каждое из которых соответствует значению логической величины в один из моментов времени последовательного выполнения программы.

Когда команда создает новое значение для логического регистра, физический ресурс, в который помещается это значение, получает имя. Последующие команды, использующие это значение, снабжаются именем физического ресурса. Данная процедура называется "переименованием регистров". Используются два основных способа переименования.

При первом способе физический файл регистров больше логического. При необходимости переименования из списка свободных физических регистров берется один, и ему сопоставляется соответствующее логическое имя. Если список свободных регистров пуст, диспетчеризация команд приостанавливается до момента появления свободных физических регистров.

Рассмотрим пример реализации данного способа переименования. Пусть требуется выполнить команду sub r3, r3, 5 (из значения регистра r3 вычесть константу 5 и поместить результат в регистр r3). Логические имена регистров начинаются со строчной буквы, а физические - с прописной. Пусть также в момент исполнения команды в таблице регистру r3 соответствует r1. Первым регистром в списке свободных пусть является R2. Поэтому в поле результата команды sub r3, r3, 5 регистр r3 заменяется на R2. Исполнимая команда приобретает вид sub R2, R1, 5. Любая следующая за sub команда, использующая ее результат, должна использовать в качестве операнда R2.

Остается вопрос о возвращении физических регистров в список свободных после того, как из них считаны данные в последний раз. Один из способов связывает счетчик с каждым физическим регистром. Счетчик увеличивается при каждом переименовании операнда в командах, использующих этот физический регистр. Соответственно, при использовании операнда значение счетчика уменьшается на 1. При достижении счетчиком нуля физический ресурс должен быть переведен в список свободных.

Второй способ переименования использует одинаковое число логических и физических регистров и поддерживает их однозначное соответствие. В дополнение имеется буфер с одним вхождением для каждой инициированной на исполнение команды. Этот буфер называется "переупорядочивающим", т. к. он используется также для установления порядка команд при прерываниях. Данный буфер можно рассматривать как FIFO-очередь, выполненную в виде кольцевого буфера с указателями "начало" и "конец".

Команды помещаются в конец буфера. По завершении команды ее результат заносится в заранее предписанный ей элемент очереди, независимо от места в очереди, занимаемого этим элементом. К моменту достижения командой начала буфера, если она была исполнена, ее результат помещается в регистровый файл, а сама команда удаляется. Команда, находящаяся в буфере и не исполненная в виду отсутствия значения операнда, остается в нем вплоть до получения этого значения. Одновременно может выбираться из очереди или помещаться в нее несколько команд, однако всегда соблюдается дисциплина FIFO.

Значение логического регистра может быть размещено либо в физическом регистре, либо в переупорядочивающем буфере. В момент декодирования команды значению ее результата сопоставляется соответствующая результату позиция упорядоченной тройки команды в элементе переупорядочивающего буфера, в котором размещается рассматриваемая декодированная команда, и делается отметка в таблице соответствия значений, которая указывает, что значение результата может быть найдено в соответствующем элементе буфера. Поля источников и результата команды используются для доступа к полям таблицы. Таблица показывает, что соответствующий регистр содержит требуемую величину, либо она может быть найдена в переупорядочивающем буфере. Когда переупорядочивающий буфер полон, диспетчеризация команд приостанавливается.

Рассмотрим выполнение переименования на примере команды sub r3, r3, 5. Пусть значение r3 находится или будет находиться в переупорядочивающем буфере в элементе 6. Регистр r3, как источник, заменяется соответствующим полем результата элемента 6 буфера. Команда sub помещается в конец переупорядочивающего буфера, например в элемент 7. Этот номер затем записывается в таблицу для использования командами - потребителями результата. Следует заметить, что переупорядочивающий буфер фактически вводит потоковую модель вычислений по готовности операндов.

Независимо от способа переименования, в суперскалярном процессоре устраняются лишние зависимости по данным.

Проблемы конфликтов при доступе к разделяемому ресурсу - ячейкам памяти, по сути, те же, что и при доступе к регистрам.

Для вычисления адреса памяти, как правило, требуется, по крайней мере, одно сложение. После вычисления адреса может понадобиться его преобразование в физический адрес, осуществляемое буфером истории трансляции адресов (TLB).