08. メモリ非曖昧化

AdvancedComputer

Architecture

08. メモリ非曖昧化

五島 正裕

Advanced Computer Architecture

内容

1. データ依存2. メモリ非曖昧化3. ストア・セット・メモリ依存予測器

AdvancedComputer

Architecture

データ依存

Advanced Computer Architecture

r4 + r3

データ依存

制御駆動型 (control-driven) （⇔ データ駆動， data-driven ） 命令間のデータの授受は，

プログラム オーダ上で，先行･ / 後続の関係にある 2 命令が， 同一のロケーションを参照することで表現 ロケーション：レジスタ と メモリ

add r4 =

add r5 =

r1 + r2

Write

Read

Advanced Computer Architecture

データ依存

後 続 命 令 Is

Read Write

先行命令

Ip

Read

入力依存 (input) 逆依存 (anti)

Write

フロー依存 (flow) 出力依存 (output)

Ip

Is

Ip

Is

Ip

Is

Ip

Is

time

time

time

time

Advanced Computer Architecture

ロード / ストア命令

ロード命令 r[Rt] = *(r[Rs] + immediate);

ストア命令 *(r[Rs] + immediate) = r[Rt];

opop RsRs RtRt immediateimmediate031 152025

Advanced Computer Architecture

レジスタとメモリの違い

レジスタ番号 静的

（実行の度に）変わらない フロントエンド（デコード・ステージ）で分かる

メモリのアドレス 動的

実行の度に変わり得る バックエンド（アドレス計算（実行）ステージ）で初めて分かる：

「曖昧」

Advanced Computer Architecture

メモリの曖昧性による偽の依存

偽の依存： 先行するストアのアドレスが計算されるまで，

後続のロード / ストアは 原則 実行できない 「計算したら違ってた」

Advanced Computer Architecture

コード例

f (double* a, double* b, double* x, double* y){

*x = *a * *a;*y = *b * *b;

}

x == b ?

ld r1 = *(sp + 0) // ald r1 = *r1ld r2 = *(sp + 16) // xmul r1 = r1 * r1st *r2 = r1

ld r3 = *(sp + 8) // bld r3 = *r3ld r4 = *(sp + 24) // ymul r3 = r3 * r3st *r4 = r3

ret

Advanced Computer Architecture

解決法

防止（予防， prevention ）： ロード / ストアは in-order で

発見 ＆ 回復 (detection & recovery) ： 依存なしと予測して out-of-order で メモリ・オーダ違反 (memory-order violation) を発見 0 ～ 7% のロードがメモリ・オーダ違反 ⇒ ペナルティ

理想 (ideal, oracle) ： IPC 最大 2 倍

Advanced Computer Architecture

IPC 2 倍の理由

「計算のかたまりがオーバラップする」 「計算のかたまりは，ロードではじまり，ストアで終わる」 「真のメモリ・データ依存がクリティカルになるようなコードは，

　最適化されてない？」

目標： ロードを，特に早期に実行したい （ストアは，そんなでもない）

コンパイラより上手にできる

Advanced Computer Architecture

オーバラップ実行

ld

st

ld

st

ILP (Inst Level Parallelism)

ld

st

ILP

st

ld

AdvancedComputer

Architecture

メモリ非曖昧化 (memory disambiguation)

Advanced Computer Architecture

メモリ・ディスアンビギュエーション

ディスアンビギュエーション (disambiguation) ： 「非曖昧化」，「曖昧性除去（解消）」

分離 (split) ロード / ストア アドレス予測 アドレス一致 / 不一致予測

Advanced Computer Architecture

ロード / ストア命令

通常のロード / ストア命令： アドレス計算部 メモリ・アクセス部

ロード命令 ： r[Rt] = *(r[Rs] + immediate); ストア命令： *(r[Rs] + immediate) = r[Rt];

opop RsRs RtRt immediateimmediate031 152025

Advanced Computer Architecture

分離ロード / ストア

通常のロード / ストア命令： アドレス計算部 メモリ・アクセス部

分離ロード / ストア： ディスパッチ時に分離，以降 2 つの命令としてスケジューリング

効果： ストア・バリューがなくても，アドレス計算が開始できる

バリューより，アドレスが早く決まることが多い ロードは変わらない

バリューに相当するソース・オペランドがないから

Advanced Computer Architecture

ロード / ストア命令

普通の ISA のロード / ストア命令： 非分離 (non-split) を想定

理由： パイプライン・マシンで， ALU でアドレス計算をすることを想定 コード効率の改善（命令の圧縮）

非 RISC 的？

DRMDR

100100

PC

Main Memory

1000

MA MD

200

0

IF

ID

EX

MEM

WB

100

208

IR

RegFile

8ld 1 2

Rs

Rt 1add 2 3104

Advanced Computer Architecture

アドレス予測

ロード / ストアのアドレスを予測 単純にロードを早期実行する効果 非曖昧化の効果

値予測の一種 だが，値予測より歴史が古い

メモリ・アクセスがストライドであることは容易に想像できる

Advanced Computer Architecture

ハードウェア

今までの方法： 分離ロード / ストア アドレス予測

実際にアドレスの一致検出を行う スケジューリングのために，比較器のマトリクス（行列）が必要！ 比較器数 ≒ ½ × （ウィンドウ・サイズ）２

もう 1 つの方法： アドレス一致 / 不一致予測

Advanced Computer Architecture

比較器のマトリクス

old

new

0

1

2

3

0 1 2effectiveaddress 先行命令

=? rdyL/S Valid

Load ― ― 1

Store

0 ― 0

1＝ 0

≠ 1

L/S V

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Architecture

ストア・セット・メモリ依存予測器

Advanced Computer Architecture

ストア・セット

あるロードのストア・セットとは： そのロードが依存したことがあるストアの集合

計算の方法： recovery-based 最初「依存していない」としておいて， オーダ違反 (memory-order violation) を検出して，追加

利用の方法： ロードは，そのストア・セット内のストアに依存すると予測

Advanced Computer Architecture

予測器の実装

原理的には： ストア・セット内のすべてのストアが実行された後でロードを実行

実装上の制限： ストア・セット内のストアは in-order で実行

In-order チェイン： ストア → ストア → … → ストア → ロード

Advanced Computer Architecture

PC of Fetched Instructions

構造と動作

SSID X

SSID X

SSID X

SSID Table

LastFetched

StoreTable

X

S

S

L

SSID : Store Set ID

S1

S2

L

S1S2

Advanced Computer Architecture

Recovery-Based

ストア・セットの計算の方法： recovery-based 最初「依存していない」としておいて， オーダ違反 (memory-order violation) を検出して，追加

Violation の検出： 比較器数 ≒（ウィンドウ・サイズ） ×（発行幅）

「教訓」： 厳密にやるより，いい加減にやったほうがうまくいく（こともある）

Advanced Computer Architecture

比較器のアレイ

old

new

0

1

2

3

effectiveaddress 先行命令

=? rdyL/S Valid

Load ― ― 1

Store

0 ― 0

1＝ 0

≠ 1

L/S V

AdvancedComputer

Architecture

今日のまとめ

Advanced Computer Architecture

メモリ・データ依存

データ依存： レジスタ メモリ

メモリのデータ依存： 動的 アドレス計算しないと分からない：「曖昧」

Advanced Computer Architecture

メモリ参照の曖昧性による偽の依存

ストアのアドレスが決まるまで，後続のロード / ストアは実行できない

保守的 (conservative) な方法： ロード / ストアは in-order で

ロードは，特に早期に実行したい 「計算のかたまりは，ロードではじまり，ストアで終わる」

ストアは，そんなでもない 真のメモリ・データ依存がクリティカルであるようなプログラムは，

最適化されてない？

Advanced Computer Architecture

ディスアンビギュエーション

ディスアンビギュエーション（非曖昧化，曖昧性除去，解消） 分離ロード / ストア アドレス予測 アドレス一致 / 不一致予測

ストア・セット依存予測器