Кратко — почему возникают конфликты (hazards) и как их уменьшить; влияние на IPC.
1) Типы препятствий и причина
- Data hazards (RAW, WAW, WAR). Возникают при зависимостях данных между инструкциями (пример: результат ещё не записан, а следующая инструкция его читает).
- Control hazards (branch). Неведомо заранее, куда пойдёт поток команд (ветвление), поэтому конвейер может выбирать неверные инструкции.
- Structural hazards. Несовпадение ресурсов (одновременный доступ к ALU, памяти, единым регистрах/шинам), когда две стадии хотят один и тот же HW-ресурс.
2) Формула влияния на производительность
- Для однопоточного конвейера с идеальным выпуском 1 instr/цикл:
$\text{CPI}={\text{CPI}}_{\text{ideal}}+{\sum }_i{f}_i\cdot s_i$,
где $f_i$ — доля инструкций, вызывающих вид препятствия $i$, $s_i$ — среднее число циклов простоя на такое событие.
$\text{IPC}=\frac{1}{\text{CPI}}$ (или более общо $\text{IPC}=\frac{\text{issue\_width}}{\text{CPI}}$).
Пример: если ветвлений $b=0.2$, уровень промаха предиктора $m=0.1$, штраф $p=3$, добавка к CPI от ветвей $=b\cdot m\cdot p=0.06$ → $\text{CPI}=1.06$, $\text{IPC}\approx 0.943$.
3) Аппаратные стратегии и их влияние на IPC
- Forwarding (data bypassing): устраняет многие RAW-столкновения, уменьшает $s_{data}$ до 0–1 циклов; сильно повышает IPC без большого увеличения CPI.
- Hazard detection + автоматические вставки пузырей: простая реализация, снижает ошибки, но уменьшает IPC (увеличивает $s_i$).
- Register renaming: убирает ложные WAW/WAR зависимости, заметно повышает IPC в OoO/многопоточном исполнении.
- Out-of-order execution + ROB: скрывает задержки памяти/зависимостей, повышает IPC существенно, особенно при больших задержках памяти; цена — площадь, энергопотребление и сложность.
- Спекулятивное выполнение + динамическое предсказание ветвлений (BTB, global/local predictors, RAS): снижает эффект control hazards; при хорошем предикторе $m$ резко падает → IPC растёт; при плохом — дорогостоящие промахи.
- Параллельные/дублированные ресурсы (многобэнковые регфайлы, несколько ALU, отдельные I/D кэши — Harvard): уменьшают structural hazards; IPC повышается почти прямо пропорционально устранённым конфликтам.
- Блокирование/предвыборка инструкций, fetch bandwidth increase: сокращает простои из-за пропускной способности.
4) Программные (компиляторные) стратегии и их влияние на IPC
- Резюбоузинг / компиляторное расписание (instruction scheduling): перестановка независимых инструкций уменьшает data stalls; эффект зависит от наличия независимой работы — может заметно поднять IPC.
- Loop unrolling, software pipelining: увеличивают ILP, уменьшают зависимость и overhead ветвей — повышают IPC при росте кодового размера.
- Предикаты / условные move вместо ветвей: уменьшают control hazards в коротких ветвлениях; повышают IPC, но увеличивают код/регистры.
- Регистровая аллокация (уменьшение спиллинга): снижает обращения в память → меньше задержек; улучшает IPC.
5) Сравнительная оценка и компромиссы
- Простые аппаратные меры (forwarding, дублирование критичных ресурсных единиц) дают высокий выигрыш в IPC при сравнительно небольшой цене.
- Сложные (OoO, большой branch predictor, renaming) дают наибольший прирост IPC, особенно для непредсказуемых ветвлений и долгих задержек памяти, но требуют значительной площади и энергии.
- Программные оптимизации дешевы по аппаратной цене, но зависят от характера кода и компилятора; дают хороший эффект для регулярных циклов и вычислений с ILP.
- Итогная оценка: если доля событий, вызывающих простои, $f$, и средний штраф $s$, то относительное улучшение IPC при устранении этих простоев приближённо равно переходу от $\text{IPC}=\frac{1}{1+f\cdot s}$ к $\text{IPC}=\frac{1}{1+f\cdot s_{\text{new}}}$. Малые уменьшения $s$ при большом $f$ дают заметный рост IPC.
Короткое резюме: устраняются три вида препятствий — data, control, structural. Лучший баланс IPC/стоимость достигается сочетанием аппаратных техник (forwarding, renaming, предсказание ветвлений, дополнительный HW) и программных (scheduling, unrolling, predication); выбор зависит от целевой рабочей нагрузки и ограничений по площади/энергии.