Оптимизация переключения битов (bit-switching)
Переключение битов, происходящее на шинах команд и данных, ответственно за значительную долю потребляемой процессором энергии []. Переключение происходит тогда, когда процессором обрабатывается очередная команда. Если битовые кодирования последовательных команд отличаются в некоторых битах, то на переключение дорожек шины для этих битов тратится энергия. Оптимизация переключения битов заключается в такой организации команд и их кодировок, что переключения на шине случаются как можно реже.
Мы исследовали вопрос о том, можно ли минимизировать переключения влиянием на порядок команд через планировщик команд компилятора. Во-первых, были выяснена верхняя оценка на количество энергии, которое можно сохранить через минимизацию переключения битов. Были подготовлены тесты, использующие команды с как можно более различающимся кодированием. Так, в битовой кодировке команд ands r6,r8,r0 и bicne r9,r7,#0x3FC только 3 из 32 битов одинаковы. Из двух тестовых программ, первая содержала цикл из 1000 команд: 500 команд первого типа, за которыми следовали 500 команд второго типа; вторая содержала цикл из 500 пар команд первого и второго типа. Оба цикла выполнялись достаточное количество раз для того, чтобы имелась возможность замерить энерго-потребление. Эксперименты с выполнением этих двух тестах показали, что разница в энергопотреблении составляет 1-2% для одной тестовой платы и около 5% для второй платы. Учитывая, что энергопотребление процессора является лишь частью энергопотребления всей системы, можно было утвер-ждать, что экономия в энергопотреблении процессора составила около 10%.
Для минимизации переключения битов в компиляторе необходимо знать, как команда во внутреннем представлении компилятора будет закодирована в битовой форме. В случае компилятора GCC, результатом компиляции является ассемблерный листинг программы, а информации о кодировании команд нет, так как этим занимается ассемблер. Для преодоления этого препятствия мы реализовали машинно-зависимую функцию (т.н.
target hook), «предсказывающую» финальную кодировку команды во внутреннем представлении компилятора в той части, в которой это известно компилятору (то есть, за исключением вычисления адресов, неизвестных на этапе компиляции). При сравнении предсказанных кодировок с реально получившимися на ряде тестов обнаружилось практически полное совпадение, за исключением случаев, когда из данной команды во внутреннем представлении можно было сгенерировать несколько вариантов машинной команды, и в итоге был выбран менее вероятный вариант.
С помощью полученной функции была реализована новая эвристика для планировщика команд GCC, которая дает предпочтение командам, образующим меньшее количество переключений битов с предыдущей запланированной командой. Эвристика использует параметр, изменяющийся от 0 до 32, который может рассматриваться как количество одинаковых битов на шине команд, которые увеличивают приоритет этой команды на 1. Так, если параметр установлен в 5, и планировщик выбирает между двумя командами с приоритетами 3 и 4, которые оцениваются как переключающие 7 и 22 бита на шине команд соответственно, то приоритет первой команды составит 3+(32-7)/5=8, а приоритет второй команды – 4+(32-22)/5=6, и будет выбрана первая команда вместо второй.
При тестировании данной эвристики на пакете тестов Aburto максимальное сокращение переключений битов было зафиксировано на тесте sim и составило 7%, а в среднем – около 3%. К сожалению, этого недостаточно, чтобы значительно повлиять на энергопотребление. Возможно, одной из причин было то, что большое количество операций с плавающей точкой, реализованных через библиотечные вызовы, не позволяло достаточно точно предсказать кодирование этих операций. Аналогичные эксперименты с оптимизацией, комбинирующей несколько команд в одну, показали, что переключение битов меняется еще меньше, чем для планирования. Вообще говоря, видно, что для изменения энергопотребления на 1% необходимо изменить количество переключений битов как минимум на порядок больше, чего не получается достигнуть в рамках компилятора.
