Коротко и по делу — разбор конфликтов для цепочки инструкций
LOAD R1 0(R2) ; ADD R3 R1 R4 ; BRANCH label в $4$-стадийном конвейере (IF, ID, EX, WB).
1) Виды конфликтов (что происходит и почему)
- Структурные:
- Конфликт памяти IF vs DATA: когда LOAD в стадии EX обращается к памяти (чтение данных), в тот же такт идёт выборка следующей инструкции в стадии IF — если память единая и однопортовая, оба обращения конфликтуют → вынужденная пауза/сталл.
- Возможно конфликт за единый EX‑блок (если, например, и ALU, и доступ к памяти конкурируют за один ресурс в EX).
- Данные (RAW):
- ADD читает R1, который загружает LOAD. Поскольку LOAD получает данные в EX и/или завершает запись в WB позднее, ADD рискует прочитать устаревшее значение. Без обходов нужен ста́лл.
- Управляющие (control):
- BRANCH меняет PC; если ветка разрешается только в EX, то инструкции, уже загруженные в IF и ID после BRANCH, неверны и должны быть сброшены — штраф (flush) нескольких циклов.
2) Временная оценка (формула)
- Общее число тактов для $N$ инстр. в глубине конвейера $d$ и суммарными ста́ллами $S$:
$$\text{cycles}=N+d-1+S.$$ - Для нашей тройки инструкций $N=3$, $d=4$: базовые такты без ста́ллов $3+4-1=6$.
Примеры:
- Если есть load‑use ста́лл $1$ такт и штраф ветвления $2$ такта, то $\text{cycles}=6+1+2=9$, IPC $=3/9=0.333$.
- С форвардингом (убираем load‑use) и без предсказания ветвления: $\text{cycles}=6+2=8$, IPC $=3/8=0.375$.
- С форвардингом и идеальным предсказанием ветвления: $\text{cycles}=6$, IPC $=3/6=0.5$.
(Формулы выше — для иллюстрации влияния каждого источника задержки.)
3) Аппаратные методы (коротко + влияние на IPC и энергию)
- Форвардинг (bypass) EX→EX, WB→EX:
- Что даёт: устраняет большинство RAW‑задержек (ALU‑use и во многих 4‑стадийных реализациях — load‑use, если данные доступны до EX следующей инструкции).
- Влияние на IPC: убирает $1$-тактовые ста́ллы → заметный рост IPC (см. пример).
- Энергопотребление: небольшое увеличение (добавляем пути и мультиплексоры) — низкая/умеренная надбавка.
- Отдельные порты/разделение I‑ и D‑кэша (Harvard) или множественные порты памяти:
- Что даёт: устраняет структурный конфликт IF vs DATA.
- Влияние на IPC: убирает связанные ста́ллы, особенно для «плотных» потоков загрузок.
- Энергопотребление: умеренный рост (доп. кэш/порты → больше потребления и площадь).
- Динамическая переупорядоченность (OoO) с ROB, RS:
- Что даёт: позволяет выполнять независимые инструкции, обходя задержки загрузок и частично скрывая ветвления (за счёт спекуляции).
- Влияние на IPC: сильное улучшение в кодах с независимыми операциями; в нашей короткой цепочке эффект мал, в общем случае может приближать IPC к $1$.
- Энергопотребление: значительный рост (сложная логика wakeup, CAM, больше регистративных операций) — энергозатратно ($\sim$существенное увеличение, часто десятки процентов или несколько раз в сравнении с in‑order).
- Предсказатель ветвлений + BTB:
- Что даёт: снижает штрафы от ветвлений (уменьшает средние цикл. потери от mispredict).
- Влияние на IPC: при хорошей точности существенно повышает IPC.
- Энергопотребление: умеренное (таблицы, доступы при каждой ветке, спекулятивное выполнение).
4) Программные методы (коротко + влияние)
- Переупорядочивание компилятором (instruction scheduling):
- Что даёт: вставляет независимые инструкции между LOAD и зависимым ADD, чтобы скрыть латентность.
- Влияние на IPC: улучшает без изменения аппаратной части; в нашем примере может убрать ста́лл $1$ такт -> IPC приближённо как с форвардингом.
- Энергопотребление: практически без аппаратных затрат; возможный незначительный рост энергозатрат на I‑кэш/память из‑за перестановки — обычно пренебрежимо.
- Развёртка циклов (loop unrolling):
- Что даёт: увеличивает количество независимых операций в теле цикла, снижает относительную частоту ветвлений и даёт больше возможности для переупорядочивания/параллелизма.
- Влияние на IPC: увеличивает ILP → лучше использование исполнительных блоков → повышает IPC.
- Энергопотребление: увеличивает кодовый размер → больше обращений к I‑кэшу/памяти, возможен рост энергопотребления, но чаще выигрышь по энергосбережению на оперирование (меньше ветвлений, меньше простоев).
- Явное вставление NOP/комментариев неэффективно; лучше переставлять полезные независимые инструкции.
5) Резюме: влияние на IPC и энергию (сводка)
- Форвардинг: +IPC (снимает RAW‑столкновения), малая энергетическая цена.
- Отдельные I/D порты: +IPC (убирает IF/DATA конфликты), умеренная энергет. цена.
- Предсказание ветвлений: +IPC при хорошей точности, энерго/аппаратная стоимость умеренная.
- OoO: максимальный выигрыш по IPC в реальных программах, но высокая цена по энергии и площади.
- Компиляторные техники (переупоряд., развёртка): хороший выигрыш по IPC с малой аппаратной ценой; возможное увеличение энергозатрат из‑за роста кода/кэша, но обычно выгодно.
Если хотите, могу:
- показать конкретную перестановку инструкций для устранения load‑use (пример),
- или просчитать точные циклы/IPC для заданной комбинации методов (форвардинг + BTB и т.д.).