Parallelität auf Befehlsebene (ILP) nutzt die Tatsache aus, dass mehrere Anweisungen in einem Programm gleichzeitig ausgeführt werden können, auch wenn sie nicht explizit als parallel angegeben sind. Es wird durch eine Kombination aus Hardware- und Compiler -Techniken implementiert. Hier ist eine Aufschlüsselung:
Hardware -Techniken:
* Pipelining: Dies ist die grundlegendste Technik. Die Anweisungen werden in Stufen unterteilt (abrufen, dekodieren, ausführen, Speicherzugriff, zurückschreiben), und mehrere Anweisungen können gleichzeitig in verschiedenen Phasen der Pipeline stattfinden. Dies erhöht den Unterrichtsdurchsatz, auch wenn er die Latenz einzelner Anweisungen nicht verringert. Gefahren (Datenabhängigkeiten, Kontrollabhängigkeiten) können die Wirksamkeit von Pipelining einschränken und Techniken wie Weiterleitungen und Branchenvorhersage erfordern.
* Superscalar Architecture: Es sind mehrere Ausführungseinheiten vorhanden, sodass mehrere Anweisungen gleichzeitig in einem einzelnen Taktzyklus ausgeführt werden können. Der Prozessor plant dynamisch Anweisungen für verschiedene Ausführungseinheiten, basierend auf ihren Abhängigkeiten und Verfügbarkeit. Dies erfordert anspruchsvolle Anweisungen für die Scheduling -Hardware.
* sehr langes Anweisungswort (VLIW): Der Compiler führt eine umfangreiche statische Planung durch und verpackt mehrere unabhängige Anweisungen in ein einzelnes, sehr langes Anweisungswort. Dies vereinfacht die Hardware im Vergleich zu Superscalar, da die Anweisungsplanung vollständig zur Kompilierung erfolgt. Es reduziert jedoch die Flexibilität und kann zu Code aufblähen, wenn nicht genügend unabhängige Anweisungen verfügbar sind.
* Ausführung außerhalb der Bestellung: Anweisungen werden in einer Reihenfolge von ihrer Programmreihenfolge ausgeführt, solange Datenabhängigkeiten respektiert werden. Dies erfordert eine komplexe Hardware, um Abhängigkeiten zu verfolgen und die Umbenennung des Registers zu verwalten (um Konflikte zu vermeiden, wenn Anweisungen neu angeordnet sind).
* Zweigvorhersage: Sagt das Ergebnis von Zweigen (bedingte Sprünge) voraus, um die Pipeline zu vermeiden, wenn ein Zweig auftritt. Falsche Vorhersagen können zu Pipeline -Flushs und Verschwendung von Zyklen führen. Advanced Branch Prediction -Techniken verwenden ausgefeilte Algorithmen und Zweig -History -Tabellen.
* spekulative Ausführung: Führen Sie Anweisungen aus, bevor ihre Abhängigkeiten vollständig aufgelöst werden (z. B. bevor ein Zweig aufgelöst wird). Wenn die Spekulation falsch ist, werden die Ergebnisse verworfen. Diese Technik verbessert die Leistung erheblich, erhöht jedoch Komplexität und das Risiko falscher Ergebnisse, wenn sie nicht sorgfältig verwaltet werden.
* Datenflussanalyse: Hardware verfolgt Datenabhängigkeiten zwischen den Anweisungen, um die korrekte Ausführungsreihenfolge auch bei Ausführung außerhalb der Ordnung sicherzustellen.
Compiler -Techniken:
* Anweisungsplanung: Der Compiler erstellt Anweisungen zur Maximierung von ILP unter Berücksichtigung von Datenabhängigkeiten und Ressourcenbeschränkungen. Dies ist sowohl für die Superscalar- als auch für VLIW -Architekturen von entscheidender Bedeutung.
* Schleife entrollen: Replikiert mehrmals den Körper einer Schleife und erhöht die Anzahl der zur parallele Ausführung verfügbaren Anweisungen. Dies kann ILP verbessern, kann jedoch auch die Codegröße erhöhen.
* Software -Pipelining: Überlappt die Ausführung von Iterationen einer Schleife, ähnlich wie Pipelining auf Anleitung. Dies ist besonders effektiv für Schleifen mit signifikanten Abhängigkeiten zwischen Iterationen.
* Registerzuweisung: Es effizient zu Variablen zugewiesen, um Registerverschmutzungen (Variablen in Speicher zu speichern) und die Anweisungsplanung zu verbessern.
* Prädikatausführung: Ermöglicht die Anweisungen, die auf basierendem Booleschen Prädikat konditionell ausgeführt werden. Dies kann ILP verbessern, indem in einigen Fällen Zweige vermieden werden.
Herausforderungen:
* Datenabhängigkeiten: Anweisungen, die von den Ergebnissen früherer Anweisungen abhängen, können nicht gleichzeitig ausgeführt werden. Dies begrenzt die Menge an ILP, die erreicht werden kann.
* Kontrollabhängigkeiten: Anweisungen, die konditionell ausgeführt werden (basierend auf Zweigen), können erst ausgeführt werden, wenn die Niederlassungszustand gelöst wird. Die Vorhersage der Zweig hilft dabei, dies zu mildern.
* Ressourcenbeschränkungen: Begrenzte Ausführungseinheiten und andere Hardware -Ressourcen können die erreichte Parallelität einschränken, die erreicht werden kann.
* Komplexität: Die Implementierung von ILP -Techniken erfordert eine erhebliche Komplexität der Hardware und Software, die die Entwurfskosten und den Stromverbrauch erhöht.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Implementierung von ILP ein synergistisches Zusammenspiel zwischen hoch entwickelten Hardwaredesigns und fortgeschrittenen Compiler -Optimierungen umfasst. Die verwendeten Techniken hängen von der Zielarchitektur und den Merkmalen des ausführenden Programms ab. Moderne Prozessoren verwenden eine Kombination dieser Techniken, um eine hohe Parallelität auf Unterrichtsebene zu erreichen.
