Регистр ішіндегі SIMD және параллель өңдеулер

Кіріспе

музыкалық ноталар
Тіркеуіштегі SIMD (SWAR), сонымен қатар "жинақталған SIMD" деп те аталады, – процессор тіркеуішіндегі деректерге қатар операцияларды орындау тәсілі. SIMD – бұл "бір команда, көп дерек" деген сөз. Флинннің 1972 жылғы таксономиясы SWAR-ды "күтіп тұру тізбегімен өңдеу" деп санайды. Көптеген қазіргі заманғы мақсаттық компьютер процессорларында SIMD үшін белгілі бір мүмкіндіктер бар, олар тіркеуіштер тобы және оларды пайдалануға арналған командалар түрінде келеді. SWAR SIMD операцияларында жақсырақ жұмыс істеу үшін жасалған арнайы өңдеу құрылғыларын пайдаланудың орнына, осы тіркеуіштер мен командаларды пайдалануға қатысты. Бұл сонымен қатар, әртүрлі жаңа бағдарламалық тәсілдер арқылы, бастапқыда олар үшін арналмаған жалпы мақсаттағы тіркеуіштер мен командаларды SIMD үшін пайдалануды да білдіреді.

SWAR архитектурасы

SWAR архитектурасы – тіркелімнің тәуелсіз кіші сөздері немесе өрістерінде сақталған деректерде параллель операцияларды орындауға арналған нұсқауларды қамтитын архитектура. SWAR-ға қабілетті архитектура – мұндай арнайы нұсқаулар болмаса да, осы өрістердегі деректерді тәуелсіз түрде өңдеуге жеткілікті нұсқаулар жиынтығы бар архитектура. SWAR архитектурасының ерте мысалы – MMX кеңейтімдерін жүзеге асырған Intel Pentium MMX. Intel Pentium керісінше, мұндай нұсқауларды қамтымады, бірақ сақтықпен қолмен кодтау немесе компилятор техникаларын пайдаланып SWAR архитектурасы ретінде жұмыс істей алды. SWAR архитектураларының алғашқы мысалдарына DEC Alpha MVI (Motion Video Instructions), Hewlett Packard-тың PA RISC MAX, Silicon Graphics Incorporated-тың MIPS MDMX және Sun-ның SPARC V9 VIS кіреді. MMX сияқты, SWAR нұсқаулар жиынтығының көпшілігі бейне кодтауды жылдамдатуға арналған. 1975 жылы. 1996 жылы Intel-дің MMX мультимедиялық нұсқаулар жиынтығының кеңейтілуімен SIMD параллель өңдеу мүмкіндіктеріне ие үстел процессорлары кеңінен таралды. Бастапқыда бұл нұсқауларды тек қолмен жазылған құрастыру кодын пайдаланып қолдануға болады. 1996 жылдың күзінде профессор Хэнк Диц Пердью университетінің Электр және компьютерлік инженерия мектебінде Компилятор құрастыру курсын оқытты. Курс барысында ол студенттерге MMX-ке бағытталған қарапайым компилятор құрастыруға тапсырма берді. Кіріс тілі MasPar-дың MPL тілінің NEMPL (Not Exactly MPL) деп аталатын кіші жиынтығы болды. Семестр барысында курстың оқытушы көмекшісі Рэндалл (Рэнди) Фишерге MMX-те бірнеше мәселе бар екендігі және бұл NEMPL компиляторының артқы бөлігін құруды қиындататыны анық болды. Мысалы, MMX 16 биттік деректерді көбейтуге арналған нұсқауға ие, бірақ 8 биттік деректерді көбейтуге арналған нұсқау жоқ. NEMPL тілі бұл мәселені ескермеді, бағдарламашыға 8 биттік көбейтуді қажет ететін бағдарламалар жазуға мүмкіндік берді. Intel-дің x86 архитектурасы SIMD-ге ұқсас параллель нұсқауларды қамтитын жалғыз архитектура емес еді. Sun-ның VIS, SGI-дің MDMX және басқа мультимедиялық нұсқаулар жиынтығы басқа өндірушілердің жаңа медиа қолданбаларын қолдау үшін қолданыстағы нұсқаулар жиынтығы архитектурасына қосылды. Бұл кеңейтімдер деректердің дәлдігі және қолдау көрсетілетін нұсқаулар түрлері бойынша маңызды айырмашылықтарға ие болды. Диц пен Фишер мақсатты архитектураның ерекшеліктерін білмей, модельге бағытталған бағдарламалау моделін жасау идеясын әзірлеуді бастады. Бұл модель Фишердің диссертациясының негізіне айналды. "SWAR" аббревиатурасын Диц пен Фишер бір күні Хэнктың Пурдью университетінің MSEE ғимаратындағы кеңсесінде ойлап тапты. Бұл параллель өңдеудің осы түріне, осы типтегі өңдеуді табиғи түрде орындауға арналған архитектураларға және Фишердің диссертациясы болып табылатын жалпы мақсаттағы бағдарламалау моделіне қатысты. Осы әртүрлі архитектуралар үшін компиляциялау мәселесі LCPC98 конференциясында ұсынылған мақалада талқыланды.

A SWAR architecture is one that includes instructions explicitly intended to perform parallel operations across data that is stored in the independent subwords or fields of a register. A SWAR capable architecture is one that includes a set of instructions that is sufficient to allow data stored in these fields to be treated independently even though the architecture does not include instructions that are explicitly intended for that purpose. An early example of a SWAR architecture was the Intel Pentium with MMX, which implemented the MMX extension set. The Intel Pentium, by contrast, did not include such instructions, but could still act as a SWAR architecture through careful hand coding or compiler techniques. Early SWAR architectures include DEC Alpha MVI (Motion Video Instructions), Hewlett Packard's PA RISC MAX, Silicon Graphics Incorporated's MIPS MDMX, and Sun's SPARC V9 VIS. Like MMX, many of the SWAR instruction sets are intended for faster video coding. in 1975. With the introduction of Intel's MMX multimedia instruction set extensions in 1996, desktop processors with SIMD parallel processing capabilities became common. Early on, these instructions could only be used via hand written assembly code. In the fall of 1996, Professor Hank Dietz was the instructor for the undergraduate Compiler Construction course at Purdue University's School of Electrical and Computer Engineering. For this course, he assigned a series of projects in which the students would build a simple compiler targeting MMX. The input language was a subset dialect of MasPar's MPL called NEMPL (Not Exactly MPL). During the course of the semester, it became clear to the course teaching assistant, Randall (Randy) Fisher, that there were a number of issues with MMX that would make it difficult to build the back end of the NEMPL compiler. For example, MMX has an instruction for multiplying 16 bit data but not multiplying 8 bit data. The NEMPL language did not account for this problem, allowing the programmer to write programs that required 8 bit multiplies. Intel's x86 architecture was not the only architecture to include SIMD like parallel instructions. Sun's VIS, SGI's MDMX, and other multimedia instruction sets had been added to other manufacturers' existing instruction set architectures to support so called new media applications. These extensions had significant differences in the precision of data and types of instructions supported. Dietz and Fisher began developing the idea of a well defined parallel programming model that would allow the programming to target the model without knowing the specifics of the target architecture. This model would become the basis of Fisher's dissertation. The acronym "SWAR" was coined by Dietz and Fisher one day in Hank's office in the MSEE building at Purdue University. It refers to this form of parallel processing, architectures that are designed to natively perform this type of processing, and the general purpose programming model that is Fisher's dissertation. The problem of compiling for these widely varying architectures was discussed in a paper presented at LCPC98.