Архитектура компьютера

Лекция 11

Stack. Superscalar. VLIW 堆。 超标量。 超长指令字

Пенской А.В., 2022

---

План лекции

• Stack-Oriented Processors (ROSC)
• Суперскалярное исполнение и VLIW
• 面向堆栈的处理器（ROSC）
• 超标量执行和VLIW

---

Stack-Oriented Processors or ROSC 面向堆栈的处理器或 ROSC

Reduced Operands Set Computer (скорее шутка, чем термин)
减少操作数集计算机（与其说是一个术语，不如说是一个笑话）

Стек – это одна из простейших структур данных, которая выступает коллекцией элементов с двумя основными операциями:
堆栈是最简单的数据结构之一，它是具有两个主要操作的元素的集合：

• push, который добавляет элемент в коллекцию
• pop, который удаляет последний добавленный элемент из коллекции.
• push，将元素添加到集合中
• pop，从集合中删除最后添加的元素。

---

Вычисления на стеке 堆栈计算

---

Forth

Лучшим примером организации вычислительного процесса через стек является язык программирования Forth.
通过堆栈组织计算过程的最好例子是 Forth 编程语言。

Форт (англ. Forth)

императивный язык программирования на основе стека. Особенности: структурное программирование, отражение (возможность исследовать и изменять структуру программы во время выполнения), последовательное программирование и расширяемость (новые команды).
一种基于堆栈的命令式编程语言。 特点：结构化编程、反射（在运行时检查和更改程序结构的能力）、顺序编程和可扩展性（新命令）。

---

 : fac recursive
   dup 1 > IF
      dup 1 - fac *
   else
      drop 1
   endif ;

---

3 fac .
- [] Положить 3 в стек.
- [3] Выполнить слово fac.
  [3] Выполнить слово dup - дублирует самый верхний элемент стека.
    - [3, 3] Положить 1.
    - [3, 3, 1] Выполнить слово > - извлекает два значения из стека, 
                 сравнивает их и возвращает результат обратно.
    - [3, true] Извлечь значение из стека и выполнить dup 1 - fac *  
                т.к. оно true.
    - [3] Выполнить слово dup.
    - [3, 3] Положить 1.
    - [3, 3, 1] Выполнить слово '-' - извлекает два значения из стека, 
                вычитает их и возвращает результат обратно.
    - [3, 2] Выполнить слово fac рекурсивно.
        - ...
            - [3, 2, 1] Выполнить слово dup.
            - [3, 2, 1, 1] Положить 1.
            - [3, 2, 1, 1, 1] Выполнить слово >.
            - [3, 2, 1, false]  Извлечь значение из стека и выполнить 
                                `drop 1`, потому что `false`.
            - [3, 2, 1] Удалить одно значение из стека.
            - [3, 2] Положить 1. Почему мы удаляем 1 и кладем 1 снова? 
                     Нам это нужно на тот случай, если кто-то попытается 
                     вычислить '0 fac .'.
            - [3, 2, 1] Возврат.
        - ...
    - [3, 2] Выполнить слово * - взять два значения из стека, 
             перемножить их и поместить результат обратно.
    - [6].

---

Стековый процессор 堆栈处理器

---

Особенности стековых процессоров 堆栈处理器的特点

1. Система команд высокого уровня.
   高层指挥系统。
   • Тривиальная поддержка выражений через обратную польскую нотацию:
     通过逆波兰表示法对表达式的简单支持：
     $X=(A+B)*(C+D)$
     $\rightarrow$ A B + C D + *.
   • Естественная поддержка процедур, рекурсии.
     自然支持过程、递归。
2. Быстрые и простые операции. Высокая производительность.
   操作快速简便。 高性能。
3. Threads.
4. Cache-friendly.

• Сложность работы с: 合作困难：
  • динамическими структурами данных. Heap-ом.
    动态数据结构。 堆。
  • структурами данных.
    数据结构。

---

G144A12

• F18A – асинхронный форт процессор. 异步堡垒处理器。
• G11A12 – multi-computer. 多电脑。
• With 144 independent computers, it enables parallel or pipelined programming.
  拥有144台独立计算机，可实现并行或流水线编程。
• With instruction times as low as 1400 picoseconds and consuming as little as 7 picojoules of energy.
  指令时间低至 1400 皮秒，消耗的能量低至 7 皮焦耳。
  • Частота исполнения инструкций порядка 700 MHz!
    指令执行频率约为700 MHz！
• With completely programmable I/O pins.
  具有完全可编程的 I/O 引脚。

Безумный стековый процессор из реального мира: 疯狂的现实世界堆栈处理器： link

---

Параллелизм уровня инструкций 指令级并行性

Задача: повышение уровня утилизации ресурсов.
目标：提高资源利用率。

• ресурс по обработке инструкций (декодер команд и т.п.);
  处理指令的资源（命令解码器等）；
• ресурс по обработке данных (умножитель, делитель, FPU).
  数据处理资源（乘法器、除法器、FPU）。

Основной подход: 基本做法：

• конвейер (было); 传送带（原）；
• суперскалярные вычисления; 超标量计算；
• VLIW.

---

Суперскалярный процессор 超标量处理器

Скалярная величина 标量

величина, которая может быть представлена числом (целочисленным или с плавающей точкой). 可以用数字（整数或浮点）表示的值。

Проблемы: 问题：

• разные операции выполняются в разное время (сумма, деление с плавающей точкой);
  在不同时间执行不同的运算（浮点求和、除法）；
• если выполняется одна операция на стадии Instruction Execute, то много ресурсов простаивают.
  如果在“指令执行”阶段执行一项操作，则许多资源处于空闲状态。

Решение: анализ потока инструкций на лету и автоматическая (прозрачная для программиста) параллелизация.
解决方案：动态分析指令流并自动（对程序员透明）并行化。

---

Структура суперскалярного процессора 超标量处理器结构

Notes: 18-600 Foundations of Computer Systems, Carnegie Mellon University, J.P. Shen
注释：18-600 计算机系统基础，卡内基梅隆大学，J.P. Shen

---

Very Long Instruction Word (VLIW) 超长指令字

• Упростим процессор и улучшим энергопотребление, переложив работу на компилятор!
  让我们通过将工作转移给编译器来简化处理器并提高功耗！
• Компилятор имеет больше информации о коде, он лучше знает, что параллельно!
  编译器有更多关于代码的信息，它更好地知道什么是并行！
• Длинная инструкция включает группу параллельных инструкций для разных исполнителей.
  长指令包括一组针对不同执行器的并行指令。

Проблемы: 问题：

• Низкая плотность кода.
  低代码密度。
• Ширина команды – огр. микроархитектуры.
  团队宽度 - 限制。 微架构。
• Поток управления. Процедуры. Спекулятивные вычисления.
  控制流。 程序。 推测性计算。

---

---

Superscalar vs. VLIW 超标量与 VLIW

Question: какие ещё могут быть вариации?
问题：还有哪些其他变化？

---

Superscalar, EPIC, Dynamic VLIW, VLIW 超标量、EPIC、动态 VLIW、VLIW

Notes: Understanding EPIC Architectures and Implementations, Mark Smotherman, https://people.computing.clemson.edu/~mark/464/acmse_epic.pdf

注释：了解 EPIC 架构和实现，Mark Smotherman，