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Architecture

浮点数​

规格化浮点数: 1.xxx _ 2^(exp - 127) - e.g. 5 = 5.0 = 1.25 _ 2^(129 - 127)

  • xxx: 尾数
  • exp: 阶码

Stack Frame​

Stack Frame

# 准备阶段
# Caller-Save: %eax %ecx %edx
# Callee-Save: %ebx %esi %edi
# 传参顺序: rdi, dsi, rdx, rcx, r8, r9, stack

pushl %ebp
movl %esp, %ebp
pushl %ebx

# 结束阶段

movl -4(%ebp), %ebx
movl %ebp, %esp
popl %ebp
ret

x86_64: 可使用超出 Stack Pointer 128 bytes 的内存区域, 称为 Red Zone.

Control Signal​

StateSignal
Fetchicode,ifun rA,rB valC,valP
DecodevalA,srcA valB,srcB
ExecutevalE Condition
MemoryvalM read/write
WriteBackE port,dstE M port,dstM
PCUpdatePC

Special Control Signal​

  • handle ret: IRET in {D_icode, E_icode, M_icode}
  • load/use hazard: E_icode in {IMRMOVL, IPOPL} && E_dstM in {d_srcA, d_srcB}
  • mispredicted branch: E_icode in {IJXX} && !e_Cnd
  • exception: m_stat in {SADR, SINS, SHLT} || W_stat in {SADR, SINS, SHLT}

Procedure Control Signal​

Branch, Loop, Jump:

PrectPC | W_valM(无法预测) | M_valP/M_valA (在译码阶段合并信号量 valA 与 valP: PCUpdate 位于 Fetch,无需传递 valP, 只剩 call/jump 需要 valP)

  • AT: always taken
  • NT: never taken
  • BTFNT: backward taken forward not taken

Forwarding​

流水线中最早阶段的转发源, 优先级最高 execute > memory > write

int d_valA = [
    D_icode in {ICALL, IJXX}: D_valP;

    d_srcA == e_dstE : e_valE;
    d_srcA == M_dstM : m_valM;
    d_srcA == M_dstE : M_valE;
    d_srcA == W_dstM : W_valM;
    d_srcA == W_dstE : W_valE;

    # register file
    1 : d_rvalA;
];

Exception​

流水线中最深的指令引起的异常, 优先级最高 e.g. 访存阶段地址越界异常优先级高于取指阶段地址越界异常优先级

Efficiency​

CPI = 1.0 + lp + mp + rp:

  • lp: load penalty(load/use hazard)
  • mp: mispredicted branch penalty
  • rp: return penalty

Optimization​

Principles​

  • 合适的算法和数据结构
  • 编写编译器能够有效优化的代码 e.g. 寄存器别名,存储器别名,函数的副作用 导致编译器无法(不敢)合并/删除冗余代码
  • 提高代码的并行性
  • 消除不必要的访存 e.g. 多次访存(可用中间量优化), 多次函数调用(可用宏/内联函数优化)

Replacement​

  • 用多条 Shift/Add/Sub 指令, 代替 Mul/Div

Branch​

  • 利用条件表达式代替条件分支语句: 降低预测错误惩罚

Code Motion​

  • 将不变测试条件/常变量的计算从循环中移出
  • 将多次访存利用中间自动/寄存器变量改写成一次访存

Unrolling (Duff's Device)​

循环展开: 增大循环的步长 - Duff's Device 以 7 为步长:

  • 提升循环的运行效率
  • 一次循环内: 可先将所有数据先读出来(Memory State),将进行计算(Execute State), 从而消除 Load/Use 冒险而产生的 Bubble