7.10.Аппаратные и программные средства, необходимые для мультитредовой архитектуры

Тред - это часть программы, которая должна обеспечивать быстрый обход графа управляющих зависимостей. Для этого блок-планировщик мультитредового процессора собирает информацию о структуре потока управления программы, например, какие единицы обработки могут быть преемниками любой единицы обработки в ГУЗ. Эта информация хранится в специальном описателе единицы обработки. Описатели тредов записывают либо внутри текста программы, либо в отдельном файле. Блок-планировщик определяет порядок назначения тредов на выполнение вычислительным модулем.

Обработка регистровых значений происходит следующим образом. В результате статического анализа ГУЗ компилятором формируется маска создания. Если треду необходимо значение, он ждёт, пока это значение не будет произведено предыдущим тредом или он находит это значение внутри локальной области памяти, переданной по кольцу тредом-предшественником.

До запуска выполнения программы не представляется возможным определить какие регистровые значения будут созданы в процессе вычисления, так как единица обработки может содержать множество базисных блоков, зависящих от обрабатываемых данных.

Последовательная семантика предполагает при завершении работы треды передачу другим тредам его модификации регистра. Ожидание выполнения всех команд треда не выгодно, так как это приводит к ожиданиям другими тредами значения, которое уже является доступным.

С помощью компилятор определяется последняя команда в единице обработки, которая модифицирует соответствующий регистр. Эта команда в дополнение к выполнению определенной операции отправляет результат следующим тредам. Сам процессорный элемент не может определить, какие команды выполняются на самом деле назначенным ему тредом и его последнюю команду. Компилятор разбивая граф управляющих зависимостей на единицы обработки обозначает границы обработки и узлы передачи управления. Команда в одном из этих узлов передачи управления может быть отмечена специальными условиями остановки так, чтобы при таких условиях процессорный элемент мог определить остановку выполнения команды. Также можно использовать специальные биты (пересылки и останова) для пересылки и завершения треда.

Для того чтобы несколько команд выполнялось в одном такте используется распределение тредов по ВМ. Когда тред ожидает получения значения или новых команд процессорный элемент может выполнять бесполезные вычисления или ожидать. Бесполезные вычисления появляются из-за использования неправильных данных или неправильного предсказания. Чтобы уменьшить потери, связанные с бесполезными тактами работы, следует повышать правильность предсказаний направления вычислений, обеспечивая синхронизацию ВМ по данным, а также верно устанавливать факт необходимости отмены.

Мультитредовая архитетура обладает многими преимуществами:

1) Общее количество команд, находящихся в обработке, значительно превышает размер окна исполнения суперскалярного процессора и тактовая частота не лимитируется размером окна исполнения, так как в рамках одного треда может выполняться предсказание переходов, переименование регистров и динамическая подготовка команд к исполнению.

2) Мультитредовый процессор даёт более дальние предсказания и большую вероятность выбора правильного направления вычислений.

3) В отличие от суперскалярной архитектуры мультитредовая архитектура обладает следующими свойствами: равное быстродействие выполнения регистровых команд и команд доступа в память, эффективное использование множества функциональных устройств, быстрое обслуживание прерываний, и возможность работы в режиме жесткого реального времени, вычисления в микропроцессорах эффективно совмещаются с обменами данными между ВМ.

4) При большом размере окна в мультитредовой реализации только несколько команд должны быть рассмотрены в каждый момент времени на предмет выдачи результатов. Для суперскалярных процессоров наличие широкого окна исполнения делает трудоёмким контроль результатов выполнения всех команд в этом окне и увеличивает число отложенных команд.

5) Суперскалярный процессор не рассматривает ГУЗ программы, поэтому каждый переход должен выбираться наугад, что приводит к снижению точности предсказания и производительности.

6) В мультитредовом процессоре реализации команды загрузки и записи могут выполняться независимо, без знания последовательности выполнения команд загрузки и записи в треде-приемнике или предшественнике, в суперскалярной архитектуре команды загрузки и записи могут выполняться только последовательно с другими командами и помещаются в буфер вместе с адресом доступа к памяти.

7) Отличие многопроцессорной системы от мультитредового процессора состоит в том, что для многопроцессорной системы необходимо разделение программы на процессы, зависимости между которыми известны, а мультитредовый процессор не требует никакого предварительного знания о связях команд по управлению и данным.

8) Мультитредовая архитектура позволяет добиться более высоких значений эффективности использования вычислительных модульных ресурсов процессора, чем другие типы архитектур, так как компиляторы и аппаратура работают совместно для статического и динамического поиска параллелизма в последовательных исходных программах.