【コラム】

セカンド・オピニオン

183 Core MicroArchitectureをもうすこし(7)

 

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Intelが考えるSustained Performance(続き)

スケジューラは何をやっているかというと、要するにデコーダで解釈された命令を並べなおし、実行ユニットに順次投入するという仕組みである。この「並べなおし」が実は一番の肝だったりする。具体的に何をやっているかという話の一例をちょっと示したい。今、図1の様なプログラムがあったとする(*1)。この6ステートメントのプログラムコードを、まずデコーダ段ではフェッチした命令を4つのデコーダで並行して解釈し、それをMicroOpに変換する。変換後のMicroOpは、スケジューラ段に渡されることになり、ここで「どういう順番に並び替えて各実行ユニットに引き渡すか」が決定される。決定後は、各ALUで順序よく処理されるという仕組みだ。

図1

さて、この図1のケースでは、各命令間の依存関係が皆無に等しい。一応全ての命令でEAXレジスタを参照してはいるが、これは参照している「だけ」だから、別に依存関係には影響しない。内部的はEAXレジスタの内容を、内部の別のレジスタに複数コピーしておき、各命令はそれぞれ別のレジスタを参照するように構成すればいいからだ。このケースだと、2cycleあれば全部の命令が実行できる事になる(1命令1cycleで処理ができる、と此処では仮定しておいて欲しい)。

では図2の様になるとどうか? 今度はちょっと難しくなる。まず1つ目でEAXレジスタに値を代入し、2つ目以降の命令でこれを参照している。結果として、1つ目の命令と2つ目以降の命令は同時に実行できない。なので、まず1つ目の命令を実行し、これが反映されてから2つ目以降の命令が実行されることになる。結果、スケジューラ段では命令の投入順を図2の様にしなければならない。このケースでは、全体を処理するのに3cycle必要になる。もっと面倒なケースを図3に示す。こんなケースになると、依存関係が余りにきつすぎて、並列処理を行う余地が殆ど無い。従って、こうしたケースでは図3の様に、処理には6Cycleかかる計算になる。

図2

図3

こうした「他の命令の処理が終るまで実行できない命令がある」ことを「依存関係がある」と称する訳であるが、この依存関係を解消するのは非常に難しい。非常に広く使われているテクニックの1つはRegister Renamingである。例えば、

mov eax,0
mov ebx,eax
mov eax,1
mov ecx,eax
mov eax,2
mov edx,eax

なんて具合に、ものすごく頭の悪いプログラムがあったとする。本質的には、

mov ebx,0
mov ecx,1
mov edx,2

とすれば済むというのは人間には良くわかる訳だが、コンピュータの世界ではこれが可能なのはコンパイラであって、CPUそのものではない(*2)。なので、真っ当にこれを実行すると、EAXレジスタに依存関係がありまくりなので、6cycleを費やす事になってしまう。ところが、CPUが内部的にこれを、

mov R100,0
mov ebx,R100
mov R101,1
mov ecx,R101
mov R102,2
mov edx,R102

と書き換えることは可能だ。R100~R102はプロセッサ内部で(プログラマからは見えない形で)保持している内部レジスタである。こうすると、依存関係が大幅に緩和されることになり、Core 2のように3つのALUを持ったCPUなら3Cycleで処理できることになる。こんな形で処理対象のレジスタの名前を書き換えることから、Register Renamingの名前がついている。

もう一つは、スケジューリングである。Core MicroarchitectureではRe-orderと呼んでいるが、要するに命令の並べ替えである。例えば図3に示した頭の悪いブロックが3連続で続く様な構図を考えてみる(図4)。これを順にデコードで取り込むわけだが、スケジューラ段でこの3つのブロックを上手く3並列に並び替えられれば、実行段ではALU3がフルに動作できることになる。頭が悪いままだと18Cycle掛かっていたものが、スケジューリングにより6Cycleで処理できるようになるわけだ(続く)。

(*1)x86のアセンブラをちょっと齧った事があれば、こんなプログラムはありえない事がすぐ判ると思うが、あくまで説明のためのPseudo Codeだと思って大目に見ていただきたい。
(*2)こうした意味解釈をCPUで行う研究は行われているし、TransmetaのCode Morphingはある意味これを実現しているとは言えるが、Core 2とかK8ではまだ実装されていない。

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インデックス

連載目次
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第420回 MCUで遊ぼう Part2 (11)
第419回 MCUで遊ぼう Part2 (10)
第418回 MCUで遊ぼう Part2 (9)
第417回 MCUで遊ぼう Part2 (8)
第416回 MCUで遊ぼう Part2 (7)
第415回 MCUで遊ぼう Part2 (6)
第414回 MCUで遊ぼう Part2 (5)
第413回 MCUで遊ぼう Part2 (4)
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