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乱序执行的历史

归档日期:07-05       文本归类:指令预取      文章编辑:爱尚语录

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  直到大约1993年前,大多数CPU一次只能处理一条指令。那时,如果采用流水线,那么可以同时在不同执行阶段处理不同的指令。

  到了1991年和1992年,出现了MIPS R4000、Alpha 21064和奔腾这些处理器,它们属于面向通用市场的第一批“超标量”处理器:每个CPU周期可以处理(读取、执行及退出)两条指令。

  后来,1995年出现了Alpha 21264,就有了每个周期能处理四条指令的第一个CPU,时钟频率达到300MHz,这个速度在当时十分惊人。Alpha21664在微处理器论坛上一亮相,就引来了台下观众的一片赞叹,其中包括英特尔和IBM的设计者,更不用说Sun SPARC的设计者了。遗憾的是,Alpha最后没有成功。

  不管怎样,这些厂商当时都采用了有条不紊的有序执行技术(In Order):程序指令在执行时,按顺序读取、执行及引退操作码,每次执行两条或者四条指令。

  不同指令需要不同的执行资源,而且程序流程往往是这样:执行需要等资源被释放出来,或者指令依赖性(dependency)得到解决,才能继续执行下一条指令。更糟的是,每出现新一代CPU,就需要重新编译代码,针对新CPU进行优化,不然读/写指令之间很可能会出现太多气泡(bubble)即空闲时间,导致性能提升幅度不大,与竞争产品相比优势也不大。

  这时候,乱序执行(out of order execution)出场了。CPU硬件本身在读取指令后重新安排指令的执行顺序,根据现有资源情况,提供更多的执行单元、重新命名寄存器、处理好指令依赖性等等。所以,Pentium Pro和Alpha 21264之后的几乎所有新款CPU都是采用无序执行技术。

  在多数情况下,乱序执行可以加快芯片的运行速度,有时候加速明显。21264的速度就是21164的将近两倍,而Pentium Pro的速度也比奔腾快了一大截。经过重大改进的最新MIPS架构R10000也采用了乱序执行。

  乱序执行一直发展良好,直到后来英特尔推出了一种全新的技术。意义重大的安腾处理器拥有真正独一无二的引擎,并使用了重要的显式并行指令计算(EPIC)技术。先不说安腾处理器的超过100种的指令格式组合、庞大的慢速寄存器组等,它实际上重新采用了有序执行技术。所以,编译器不得不完成所有工作,以确保执行单元始终处于忙碌状态。除了浮点处理密集型应用外,要做到这一点并非易事,只要看看安腾系统的基准测试结果就会明白。

  在后续的发展中,安腾架构的这一做法从来没有变过。相反,Sun一度改用了富士通公司使用无序技术的SPARC64,而不是它自己的使用有序技术的UltraSPARC IV。其他的重要架构如x86则继续采用无序技术,使用了Core 2和K10等新引擎,并进一步改进了这种方案,以便充分利用每MHz。

  如果出于某种原因需要AIX,那么Power的重要性就不言而喻了。Power4和Power5都是高速、但复杂的采用乱序技术的RISC处理器,它结合了四路超标量执行机制和非常高的系统带宽。不过,Power6却回到了有序技术时代。原因何在?

  一个答案就是,如果Power6的同步多线程效果好,那么对单一线程浪费执行资源就不用太担心:在这种情况下,只要同步运行两个线程就行。另外,为了进一步大幅提升性能,频率提高一倍、二级高速缓存增加一倍、缩短算术逻辑单元(ALU)的延迟等方面恐怕更关键。即使那样,浮点处理部件还会保留有一定的乱序执行功能——这是在通用处理器的浮点运算部分首次引入十进制浮点处理单元(FPU)。“同步双线程执行、负荷预测机制以及增强的数据和指令预取功能,提升了有序执行超标量核心的性能。”IBM是这么评价其新芯片的。

  Power5+的五路无序执行被Power6的七路有序执行所取代,但即使如此,也有几个地方需要注意:Power5+一个线程每个周期最多只有五条指令,而Power6一个线程增加了二条指令,这对计算型线程和内存搜寻型线程组合来说更有优势。Power5+更关注内部资源,而Power6在大部分时候等待内存,所以每个周期两次操作完全够了。那么性能方面有什么提升呢?看一下基准测试specfp2006,频率为2.2GHz的Power5+在这方面能达到14.9,当然是在经过改动的Power5机器上实现的;而频率为4.7GHz的Power6能达到22.3,时钟频率提高了一倍多,性能提升却不到一半。

  所以,Power6的7.9亿个晶体管分布在尺寸比较大的341平方毫米上,超过了Barcelona/Agena的283平方毫米,仅比尺寸庞大的安腾小了一点,它确实大幅提升了性能,尽管没有了乱序技术。虽然高速缓存和内存带宽随着时钟频率的提高都水涨船高,但是仍然可以说,在时钟频率相同情况下,重新使用有序技术会在处理单线%左右。

  为此,不得不等待更新的Power6系统以及下一版本AIX在编译器方面的进展,以减少这种性能损耗。不过对Power6来说,采用有序技术确实明显提升了处理器的性能。安腾同样采用了有序技术,但是至少到现在还没有看到明显的成效。x86恐怕再也不会出现有序技术。

  不过,处理器技术的发展一日千里,Power6设计者不会坐井观天。英特尔公司的3.6GHz的Harpertown”Penryn“和AMD公司3GHz Barcelona处理器就会陆续面世,都会对IBM Power6构成重大挑战。IBM必须牢记: 对采用有序技术的这类处理器而言,随着每一代后续CPU的问世,在编译器方面需要做的工作更多。同时,并不是每个人都会有时间重新编译自己的应用程序等。

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