Wie implementieren Sie dynamische Planung und Out-of-Order-Ausführung, um Pipeline-Gefahren zu reduzieren?

1 Dynamische Planung

Die dynamische Planung ist eine Technik, die es der CPU ermöglicht, die Anweisungen in der Pipeline basierend auf ihrer Verfügbarkeit und Bereitschaft neu anzuordnen. Anstatt die Programmreihenfolge strikt zu befolgen, kann die CPU Anweisungen ausführen, die keine Abhängigkeiten oder Konflikte mit anderen Anweisungen aufweisen, während sie diejenigen, die dies tun, verzögert oder umgeht. Auf diese Weise kann die CPU Strömungsabrisse vermeiden und die Pipeline mit nützlicher Arbeit füllen. Die dynamische Planung erfordert einen Hardwaremechanismus, der die Abhängigkeiten und den Status jeder Anweisung verfolgen kann, z. B. eine Reservierungsstation oder ein Nachbestellpuffer.

2 Out-of-Order-Ausführung

Die Out-of-Order-Ausführung ist eine Technik, die es der CPU ermöglicht, die Anweisungen in der Pipeline in beliebiger Reihenfolge auszuführen, solange das Endergebnis mit der Programmreihenfolge übereinstimmt. Die CPU kann diese Technik verwenden, um die Parallelität auszunutzen und mehrere Befehle gleichzeitig auszuführen, auch wenn sie im Programm nicht benachbart oder sequenziell sind. Für die Out-of-Order-Ausführung ist ein Hardwaremechanismus erforderlich, der die Ergebnisse der Anweisungen speichern und neu anordnen kann, z. B. einen Neuanordnungspuffer oder eine Registerumbenennungseinheit.

3 Vorteile der dynamischen Planung und Out-of-Order-Ausführung

Dynamische Planung und Out-of-Order-Ausführung können mehrere Vorteile für die Prozessorleistung und -effizienz bieten. Sie können die Anzahl der Pipeline-Blockaden und -Spülungen reduzieren, wodurch Kreisläufe und Energie verschwendet werden. Sie können den Befehlsdurchsatz und die Auslastung der Pipelinestufen und -ressourcen erhöhen. Sie können auch die Parallelität auf Befehlsebene verbessern und das Potenzial von Superskalar- und Multicore-Architekturen ausschöpfen.

4 Herausforderungen der dynamischen Planung und Out-of-Order-Ausführung

Dynamische Planung und Out-of-Order-Ausführung sind nicht ohne Herausforderungen. Sie erfordern komplexe und kostspielige Hardwarekomponenten, die die Größe, den Stromverbrauch und die Wärmeableitung des Prozessors erhöhen. Sie führen auch zu zusätzlicher Latenz und Mehraufwand in den Pipelinephasen, z. B. Befehlsversand, Problemstellung, Abschluss und Commit. Sie können auch die Komplexität und Schwierigkeit des Debuggens und Testens des Prozessors erhöhen.

5 Beispiele für dynamische Planung und Out-of-Order-Ausführung

Dynamische Planung und Out-of-Order-Ausführung sind in modernen Prozessoren wie den x86- und Cortex-Familien von ARM weit verbreitet. Der Core i7-Prozessor von Intel verwendet beispielsweise eine 14-stufige Pipeline mit dynamischer Planung und Out-of-Order-Ausführung. Es kann bis zu sechs Mikrooperationen pro Zyklus aus einem Pool von 224 Mikrooperationen ausgeben, die dynamisch von einer einheitlichen Reservierungsstation geplant werden. Es kann auch bis zu acht Mikrooperationen pro Zyklus in einer Out-of-Order-Weise ausführen, indem ein Nachbestellpuffer und eine Registerumbenennungseinheit verwendet werden.

6 So implementieren Sie dynamische Planung und Out-of-Order-Ausführung

Die Implementierung von dynamischer Planung und Out-of-Order-Ausführung erfordert ein gutes Verständnis der Prozessorarchitektur und des Entwurfs. Sie müssen entscheiden, wie viele Pipelinestufen und Ressourcen Sie verwenden möchten, wie die Abhängigkeiten und Konflikte zwischen den Anweisungen behandelt werden sollen, wie die Ergebnisse der Anweisungen gespeichert und neu angeordnet werden sollen und wie Sie die Richtigkeit und Konsistenz der Ausführung sicherstellen. Sie müssen auch geeignete Tools und Sprachen wie Verilog oder VHDL verwenden, um Ihren Prozessor zu modellieren und zu simulieren. Sie können sich auch auf einige vorhandene Implementierungen beziehen, z. B. den SimpleScalar-Simulator oder den RISC-V-Prozessor, um sich inspirieren zu lassen und Anleitungen zu erhalten.

7 Hier ist, was Sie sonst noch beachten sollten

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