计算机系统结构课件：第4章 指令级并行.ppt

【计算机系统结构】\n\n计算机系统结构的研究领域广泛，其中指令级并行（ILP：Instruction-Level Parallelism）是提升处理器性能的关键技术之一。在第4章“指令级并行”中，主要探讨了如何利用硬件和软件的结合来发掘和利用程序中的并行性。\n\n1. **指令级并行的概念**\n - 流水线处理机通过指令重叠执行以提高效率，这种潜在的并行性被称为指令级并行。CPI（Cycle Per Instruction）和IPC（Instructions Per Cycle）是衡量其性能的重要指标。\n - 理想流水线CPI是最高性能的参考，而实际CPI会受到停顿（如结构冲突、数据冲突、控制冲突）的影响。\n\n2. **基本程序块与分支**\n - 基本程序块通常是没有分支的线性代码段，平均5到7条指令会出现一个分支，这对并行执行造成挑战。\n\n3. **循环级并行**\n - 循环级并行着重于开发循环体内的并行性，比如循环展开（loop unrolling），允许不同循环体同时执行。\n - 示例：for循环的并行执行，每次循环可以与其他循环重叠，但在循环内部可能不存在并行性。\n\n4. **相关与流水线冲突**\n - 相关分为数据相关、名相关和控制相关，它们是程序固有的特性，会影响指令的执行顺序。\n - 流水线冲突包括结构冲突、数据冲突和控制冲突，它们会导致指令不能按预期时钟周期执行。\n\n5. **解决相关问题的方法**\n - 通过指令调度保持相关但避免冲突，或通过代码变换消除相关。\n - 程序顺序需要保持，但控制相关性在某些情况下可以放宽。\n\n6. **关键属性**\n - 为了正确执行程序，必须保持的是数据流和异常行为的一致性，而不是严格控制顺序。\n - 数据流反映了数据值从生成到消耗的路径，控制相关性在某些场景下可以被调整而不影响结果。\n\n7. **静态调度**\n - 编译器在编译阶段进行代码调度和优化，以减少指令间的相关性和冲突，增加并行执行的可能性。\n - 通过拉开相关指令的距离，可以降低流水线冲突，提高执行效率。\n\n指令级并行通过优化硬件设计（如流水线、多指令流出）和软件策略（如指令调度、循环展开、动态分支预测）来最大化地挖掘程序中的并行性，以提升计算机系统的整体性能。这一领域的研究对现代高性能计算和多核处理器的设计至关重要。