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Transactional Synchronization Extensions

estensioni all'architettura del set di istruzioni x86 che aggiunge il supporto per la memoria transazionale dell'hardware

Transactional Synchronization Extensions (TSX-NI) è un'estensione all'architettura del set di istruzioni x86 (ISA) che aggiunge il supporto alla memoria transazionale hardware, velocizzando l'esecuzione di software multi-threaded attraverso l'elisione della serratura. In base a diversi benchmark, TSX è in grado di fornire circa il 40% di esecuzione più veloce delle applicazioni in specifici carichi di lavoro, e 4-5 volte di più di transazioni di database al secondo (TPS).[1][2][3]

TSX è stato documentato da Intel nel febbraio 2012, e ha debuttato nel giugno 2013 su microprocessori Intel selezionati basati sulla microarchitettura Haswell.[4][5][6] Nei processori Haswell inferiori a 45xx così come le serie R e K (con moltiplicatore sbloccato) non supportano TSX.[7] Nell'agosto 2014, Intel ha annunciato un bug nell'implementazione del TSX sulle attuali ottimizzazioni di Haswell, Haswell-E, Haswell-EP e delle prime cpu Broadwell, che ha portato alla disabilitazione della funzione TSX sulle cpu interessate tramite un aggiornamento del microcodice.[8][9]

Il supporto per l'emulazione TSX è fornito come parte dell'emulatore di sviluppo software di Intel.[10] C'è anche un supporto sperimentale per l'emulazione TSX in QEMU.[11]

Caratteristiche

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TSX fornisce due interfacce software per la designazione delle regioni di codice per l'esecuzione transazionale. Hardware Lock Elision (HLE) è un'interfaccia basata su prefisso di istruzioni progettata per essere compatibile con i processori senza supporto TSX. Restricted Transactional Memory (RTM) è una nuova interfaccia per set di istruzioni che offre una maggiore flessibilità ai programmatori.[12]

TSX consente l'esecuzione speculativa delle regioni di codice transazionale. L'hardware monitora i thread multipli per rilevare eventuali conflitti di accesso alla memoria, insieme all'interruzione e l'annullamento delle transazioni che non possono essere completate con successo. Sono previsti meccanismi per il software per il rilevamento e la gestione delle transazioni non riuscite.[12]

In altre parole, l'elisione del blocco attraverso l'esecuzione transazionale utilizza le transazioni in memoria come percorso veloce dove possibile, mentre il percorso lento (fallback) è ancora un normale blocco.

Hardware Lock Elision

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Hardware Lock Elision (HLE) aggiunge due nuovi prefissi di istruzioni, XACQUIRE e XRELEASE. Questi due prefissi riutilizzano gli opcode dei prefissi REPNE / REPE esistenti (F2H / F3H). Sui processori che non supportano TSX, i prefissi REPNE / REPE vengono ignorati sulle istruzioni per le quali sono validi i prefissi XACQUIRE / XRELEASE, consentendo così una retrocompatibilità.[13]

Il suggerimento del prefisso XACQUIRE può essere utilizzato solo con le seguenti istruzioni con un esplicito prefisso LOCK: ADD, ADC, AND, BTC, BTR, BTS, CMPXCHG, CMPXCHG8B, DEC, INC, NEG, NOT, OR, SBB, SUB, XOR, XADD e XCHG. L'istruzione XCHG può essere utilizzata anche senza il prefisso LOCK.

Il suggerimento del prefisso XRELEASE può essere utilizzato sia con le istruzioni sopra elencate, sia con le istruzioni MOV mem, reg e MOV mem, imm.

Hardware Lock Elision consente l'esecuzione ottimale di una sezione critica elidendo la scrittura su un lucchetto, in modo che appaia libero ad altri threads. Una transazione fallita comporta il riavvio dell'esecuzione dall'istruzione prefissata XACQUIRE, trattando l'istruzione come se il prefisso XACQUIRE non fosse presente.

Restricted Transactional Memory

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La Restricted Transactional Memory (RTM) è un'implementazione alternativa a HLE che offre al programmatore la flessibilità di specificare un percorso del codice di riserva che viene eseguito quando una transazione non può essere eseguita correttamente.

RTM aggiunge tre nuove istruzioni: XBEGIN, XEND and XABORT. Le istruzioni XBEGIN e XEND segnano l'inizio e la fine di una regione di codice transazionale; l'istruzione XABORT interrompe esplicitamente una transazione. Il fallimento della transizione reindirizza il processore al percorso del codice di riserva specificato dall'istruzione XBEGIN, con lo stato di interruzione restituito nel registro EAX.

Posizione del bit di registro EAX Significato
0 Impostato se l'interruzione è causata dall'istruzione XABORT.
1 Se impostato, l'operazione può avere successo in caso di nuovo tentativo. Questo bit è sempre libero se il bit 0 è impostato.
2 Impostato se un altro processore logico era in conflitto con un indirizzo di memoria che faceva parte della transazione che ha interrotto.
3 Impostato se un buffer interno è eccedente.
4 Impostato se il punto di interruzione del debug è stato raggiunto.
5 Impostato se si è verificato un annullamento durante l'esecuzione di una transazione annidata.
23:6 Riservato.
31:24 Argomento XABORT (valido solo se il bit 0 è impostato, altrimenti riservato).

Istruzione XTEST

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TSX fornisce una nuova istruzione XTEST che restituisce se il processore sta eseguendo una regione transazionale.

Implementazione

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  Lo stesso argomento in dettaglio: Memoria transazionale.

La specifica TSX di Intel descrive come la memoria transazionale è esposta ai programmatori, ma trattiene i dettagli sull'effettiva implementazione della memoria transazionale.[14] Intel specifica nei suoi manuali di sviluppo e ottimizzazione che Haswell mantiene sia i set di lettura e scrittura alla granularità di una linea di cache, tracciando gli indirizzi nella cache dei dati L1 del processore.[15][16][17][18] Intel afferma inoltre che i conflitti di dati sono rilevati attraverso il protocollo di coerenza della cache.[16]

La cache dati L1 di Haswell ha un'associatività di otto. Questo significa che in questa implementazione, un'esecuzione transazionale che scrive su nove posizioni distinte mappando sullo stesso set di cache si interrompe. Tuttavia, a causa delle implementazioni delle microarchitetture, questo non significa che un minor numero di accessi allo stesso set non sia garantito per non essere mai interrotto. Inoltre, nelle configurazioni cpu con tecnogia Hyper-Threading, la cache L1 è condivisa tra i due thread sullo stesso core, per cui le operazioni in un processore logico dello stesso core possono causare evasioni.[16]

Una ricerca indipendente indica che la memoria transazionale di Haswell è molto probabilmente un sistema di aggiornamento differito che utilizza le cache per-core per i dati transazionali e i checkpoint di registro.[14] In altre parole, Haswell ha maggiori probabilità di utilizzare il sistema di memoria transazionale basato sulla cache, in quanto si tratta di una scelta di implementazione molto meno rischiosa. D'altra parte, i processori Skylake e successivi potrebbero combinare questo approccio basato sulla cache con il memory ordering buffer (MOB) per lo stesso scopo, eventualmente fornendo anche una memoria transazionale multi-versione che è più adatta al multithreading speculativo.[19]

Nell'agosto 2014, Intel ha annunciato l'esistenza di un bug nell'implementazione del TSX su Haswell, Haswell-E, Haswell-EP e le prime cpu Broadwell, che ha portato alla disabilitazione della funzione TSX sulle cpu interessate tramite un aggiornamento del microcodice.[8][9][20] Il bug è stato risolto nello stepping F-0 del vPro abititato sui processori Core M-5Y70 nel novembre 2014.[21]

Applicazioni

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  • RPCS3 (emulatore PlayStation 3)

Note

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  1. ^ (EN) Richard M. Yoo, Christopher J. Hughes, Konrad Lai e Ravi Rajwar, Performance Evaluation of Intel R Transactional Synchronization Extensions for High-Performance Computing (PDF), su pcl.intel-research.net, Intel, novembre 2013. URL consultato il 15 novembre 2018 (archiviato dall'url originale il 10 novembre 2016).
  2. ^ (EN) Tomas Karnagel, Roman Dementiev, Ravi Rajwar, Konrad Lai, Thomas Legler, Benjamin Schlegel e Wolfgang Lehner, Improving In-Memory Database Index Performance with Intel R Transactional Synchronization Extensions (PDF), su software.intel.com, Intel, febbraio 2014. URL consultato il 15 novembre 2018.
  3. ^ (EN) Richard Yoo, Christopher Hughes, Konrad Lai e Ravi Rajwar, Performance Evaluation of Intel Transactional Synchronization Extensions for High Performance Computing, SC13, 21 novembre 2013. URL consultato il 15 novembre 2018 (archiviato dall'url originale il 29 ottobre 2013).
  4. ^ (EN) James R., Transactional Synchronization in Haswell, su software.intel.com, Intel, 7 febbraio 2012. URL consultato il 15 novembre 2018.
  5. ^ (EN) Peter Bright, Transactional memory going mainstream with Intel Haswell, in Ars Technica, 9 febbraio 2012. URL consultato il 15 novembre 2018.
  6. ^ (EN) Chris Angelini, The Core i7-4770K Review: Haswell Is Faster; Desktop Enthusiasts Yawn, in Tom's Hardware, 1º giugno 2013. URL consultato il 15 novembre 2018.
  7. ^ (EN) Intel Comparison Table of Haswell Pentium, i3, i5, and i7 models, su ark.intel.com, Intel. URL consultato il 15 novembre 2018.
  8. ^ a b (EN) Scott Wasson, Errata prompts Intel to disable TSX in Haswell, early Broadwell CPUs, in The Tech Report, 12 agosto 2014. URL consultato il 15 novembre 2018.
  9. ^ a b (EN) Desktop 4th Generation Intel Core Processor Family, Desktop Intel Pentium Processor Family, and Desktop Intel Celeron Processor Family (PDF), su intel.com, Intel, marzo 2017, p. 46. URL consultato il 15 novembre 2018.
  10. ^ (EN) Kim Wooyoung, Fun with Intel Transactional Synchronization Extensions, su software.intel.com, Intel, 25 luglio 2013. URL consultato il 15 novembre 2015.
  11. ^ (EN) Sebastien Dabdoub e Stephen Tu, Supporting Intel Transactional Synchronization Extensions in QEMU (PDF), su people.csail.mit.edu, Massachusetts Institute of Technology. URL consultato il 15 novembre 2018.
  12. ^ a b (EN) Johan De Gelas, Making Sense of the Intel Haswell Transactional Synchronization eXtensions, in AnandTech, 20 settembre 2012. URL consultato il 15 novembre 2018.
  13. ^ (EN) Hardware Lock Elision Overview, su software.intel.com, Intel. URL consultato il 15 novembre 2018 (archiviato dall'url originale il 29 ottobre 2013).
  14. ^ a b (EN) David Kanter, Analysis of Haswell’s Transactional Memory, in Real World Technologies, 15 febbraio 2012. URL consultato il 15 novembre 2018.
  15. ^ (EN) Intel 64 and IA-32 Architectures Software Developer’s Manual (PDF), su intel.com, Intel, settembre 2016, p. 342. URL consultato il 15 novembre 2018.
  16. ^ a b c (EN) Intel 64 and IA-32 Architectures Optimization Reference Manual (PDF), su intel.com, Intel, giugno 2016, p. 446. URL consultato il 15 novembre 2018.
  17. ^ (EN) Intel TSX implementation properties, su software.intel.com, Intel, 23 luglio 2013. URL consultato il 15 novembre 2018.
  18. ^ (EN) Johan De Gelas, Making Sense of the Intel Haswell Transactional Synchronization eXtensions, in AnandTech, 20 settembre 2012. URL consultato il 15 novembre 2018.
  19. ^ (EN) David Kanter, Haswell Transactional Memory Alternatives, in Real World Technologies, 21 agosto 2012. URL consultato il 15 novembre 2018.
  20. ^ (EN) Ian Cutress, Intel Disables TSX Instructions: Erratum Found in Haswell, Haswell-E/EP, Broadwell-Y, in AnandTech, 12 agosto 2014. URL consultato il 15 novembre 2018.
  21. ^ (EN) Intel Core M Processor Family (PDF), su intel.com, Intel, dicembre 2014, p. 10. URL consultato il 15 novembre 2018.

Bibliografia

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Voci correlate

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