[发明专利]在计算机系统中维持操作数活性信息

说明书

技术领域

本发明涉及处理器领域，并且更具体地，涉及在计算机系统中基于操作数活性情况来执行操作。

背景技术

根据Wikipedia于8/1/2011日在万维网上发布的，“多线程（Multithreading）计算机”具有硬件支持以有效地运行多个线程。其与多进程（multiprocessing）系统（例如多核系统）的区别在于，线程需要共享单个核心的资源：计算单元、CPU缓存和转换后备缓冲器（TLB）。而多进程系统包括多个完整的处理单元，多线程旨在于通过利用线程级和指令级并行化来增大单个核心的利用度。因为这两个技术是互补的，所以它们有时在具有多个多线程CPU的系统中和在具有多个多线程核心的CPU中组合。

随着进一步开发指令级并行化的努力自20世纪90年代晚期起停止，多线程范式变得更加流行。这使得吞吐率计算的概念从更专门的事务处理领域再度出现称为主导：

尽管难以进一步加速单个线程或单个程序，然而大多计算机系统实际上在多个线程或程序间是多任务的。

允许加速所有任务的全面系统吞吐率的技术将是有意义的性能收益。

用于吞吐率计算的两个主要技术是多进程和多线程。

一些优点包括：

如果一个线程得到许多缓存命中失败（miss），则其它线程可以在利用未使用的计算资源的条件下继续，与这些资源在仅运行单个线程时将空闲相比，这可以引起更快的全面运行。

如果一个线程不能使用CPU的所有计算资源（因为指令取决于彼此的结果），则运行其它线程允许不使其空闲。

如果数个线程在相同的数据集上工作，则它们实际上可以共享其缓存，这引起更好的缓存利用或者在缓存的值方面的同步。

对多线程的一些批评包括：

在共享诸如缓存或转换后备缓冲器（TLB）的硬件资源时，多个线程会彼此干扰。

单个线程的运行时间不会被改进反而会被劣化，即使仅运行一个线程。这归因于较慢的频率和/或为容纳线程切换硬件而需要的附加流水线层。

用于多线程的硬件支持对于软件而言更为可见，因此与多进程相比需要对于应用程序和操作系统两者的更多变化。

存在大量不同类型的多线程，包括：

堵塞多线程（Block multi-threading）

当一个线程运行直至其被通常将创建长延迟暂停（stall）的事件堵塞时，发生最简单类型的多线程。这样的暂停可能是需要访问片外存储器的缓存命中失败，其可能需要数百个CPU周期来将数据回传。替代于等待暂停解除，有线程的处理器将会把运行切换到已就绪的另一线程。只有当用于前一线程的数据到达时，该前一线程才被放回已就绪线程的列表中。

例如

1.周期i:来自线程A的指令j被发布

2.周期i+1：来自线程A的指令j+1被发布

3.周期i+2：来自线程A的指令j+2被发布，加载在所有缓存中命中失败的指令

4.周期i+3：线程调度器被调用，切换到线程B

5.周期i+4：来自线程B的指令k被发布

6.周期i+5：来自线程B的指令k+1被发布

从概念上说，它类似于在实时操作系统中使用的协作多任务处理，在该协作多任务处理中，任务在根据某种类型的事件而需要等待时主动放弃运行时间。

这种类型的多线程已知为堵塞或协作或粗粒度多线程。

硬件成本：

多线程硬件支持的目标是允许在被堵塞的线程与另一已就绪的线程之间进行快速切换。为了实现这一目标，硬件成本是复制程序可见寄存器以及一些处理器控制寄存器（例如程序计数器）。从一个线程切换到另一线程意味着硬件从使用一个寄存器组切换到另一个。

这种附加硬件具有如下益处：

线程切换可以在一个CPU周期中完成。

对于每个线程显得其单独运行并且并不与任意其它线程共享任意硬件资源。这将在应用以及操作系统中需要以支持多线程的软件变更量最小化。

为了在活动的线程之间有效切换，每个活动的线程需要具有其自己的寄存器组。例如为了快速在两个线程之间切换，寄存器硬件需要被实例化两次。

示例：

许多微控制器和嵌入式处理器的系列具有多个寄存器库，以允许针对中断进行快速的上下文切换。这种方案可以被看作一种类型的在用户程序线程与中断线程之间的堵塞式多线程。