编译器优化的静态调度介绍

　　指令调度的问题与约束
　　指令调度受到多方面的约束，如数据依赖约束、功能部件约束、寄存器约束等，在这些约束下，寻找到最优解，降低指令流水间的stall，就是指令调度的终极目标。
　　指令流水间的stall主要由数据型冒险、结构性冒险、控制型冒险导致。
　　数据型冒险：当前指令的执行依赖与上一条指令执行的结果。数据型冒险共有三种：写后读（RAW）、读后写（WAR）、写后写（WAW）。数据冒险可能产生数据流依赖。
　　结构型冒险：多条指令同时访问一个硬件单元的时候，由于缺少相应的资源，导致结构型冒险。
　　控制型冒险：存在分支跳转，无法预测下一条要执行的指令，导致其产生的控制型冒险。
　　编译器解决上述冒险的方法就是通过插入 NOP 指令，增加流水间的stall来化解冒险。
　　下面简单介绍一下三种数据型冒险（即数据依赖）：
　　写后读（RAW）：一条指令读取前一条指令的写入结果。写后读是最常见的一种数据依赖类型，这种依赖被称为真数据依赖（true dependence）。
　　`x = 1;
　　y = x;
　　`
　　读后写（WAR）：一条指令写入数据到前一条指令的操作数。这种依赖被称为反依赖或反相关（anti dependence）。
　　`y = x;
　　x = 1;
　　`
　　写后写（WAW）：两条指令写入同一个目标。这种依赖被称为输出依赖（output dependence）。
　　`x = 1;
　　x = 2;
　　`
　　指令调度算法之表调度（List Scheduling）
　　表调度是一种贪心+启发式方法，用以调度基本块中的各个指令操作，是基本块中指令调度的最常见方法。基于基本块的指令调度不需要考虑程序的控制流，主要考虑数据依赖、硬件资源等信息。
　　表调度的基本思想：维护一个用来存储已经准备执行的指令的ready列表和一个正在执行指令的active列表，ready列表的构建主要基于数据依赖约束和硬件资源信息；根据调度算法以周期为单位来执行具体的指令调度，包括从列表中选择及调度指令，更新列表信息。
　　基本的表调度算法大致分为以下三步：
　　根据指令间依赖，建立依赖关系图。
　　根据当前指令节点到根节点的长度以及指令的latency，计算每个指令的优先级。
　　不断选择一个指令，并调度它，
　　使用两个队列维护ready的指令和正在执行的active的指令；
　　在每个周期：选择一个满足条件的ready的指令并调度它，更新ready队列；检查active的指令是否执行完毕，更新active列表。
　　指令调度案例
　　本案例选自卡内基梅隆大学（Carnegie Mellon University）的Compiler Design课程。
　　假设当前CPU有两个计算单元（即每个周期可以执行两条指令）；加法指令的latency为 2 cycles，其他指令为 1 cycle。
　　根据数据依赖关系构建出依赖关系图。

　　计算指令节点优先级
　　优先级计算公式如下：

　　其中，x表示当前指令节点，y表示x的子节点，E表示 “true dependency” ，表示 “anti-dependency” 。

　　其中 `I10` 为叶节点，优先级为其latency，故结果为1；`I4` 为非叶节点，优先级为当前节点latency（`I4` 为加法指令，latency为2）+ 子节点的优先级，故结果为3。本例中无反依赖（anti-dependency）情形。
　　执行调度

　　在实际执行调度时，对于同等优先级的指令，由于具体调度方案的不同，会出现不同的情况，例如本例中出现的场景，可以通过添加其他度量标准进一步优化优先级计算方案。尽管表调度方法不能保证得到最优调度结果，但它是接近最优解的。
　　本文只是简单介绍了最基本的表调度方法，在实际应用中，存在各种基于该方法的改进方案。关于LLVM编译器中的表调度算法，可以先自行阅读其源码，更多相关介绍，敬请期待。
　　结语
　　本文简单介绍了指令调度的基本概念，指令调度的原因与影响以及基本的指令调度算法。
　　指令调度作为NP完全问题目前依旧尚未有一个完美的解决方案，对指令调度算法的探索与优化尚有很大的发展空间。



原作者： 姜海波