[editorial] ACM-ICPC 2008 Seoul Regional Problem D - Cycle

  • lazyboy
    lazyboy

    6개의 레지스터를 가진 16bit 머신이 있습니다. 이 머신은 8종류의 명령을 받는다고 합니다.
    모든 명령어는 fetch-decode-execute의 3 cycle을 소비합니다. 이 때 순차적으로 수행될 수 있는 명령어에 대해 pipelining을 한답니다.
    문제에 정의된 방식대로 pipelining을 충실히 수행한다고 가정할 때, 어떤 프로그램이 끝났을 때 그 프로그램이 총 몇 cycle동안 수행되었는지를 출력하는 문제입니다. 의외로 단순한 문제입니다만 문제가 길어서, 아니면 이런 형태의 프로그래밍에 익숙지 않아서인지 Accepted 된 해답은 8개로 I번에 이어 2번째로 적었네요.
    [spoiler="[풀이 보기]"] processor의 pipelining에 대해서는 Computer Architecture 과목에서 주로 다룹니다만, 여기서 이야기하는 pipelining은 가장 기초적인 수준입니다:
    어떤 명령어 A 다음에 명령어 B가 있어, A가 수행된 후 반드시 명령어 B가 수행되는 형태라면, B는 pipelining되어 A가 decode될 때 B가 fetch됩니다.
    위 조건에 맞지 않는 명령어 A는 무엇일까요? 문제에 설명되어 있듯이 레지스터의 값을 보고 '분기' 하는 cond나 loop명령이나, loop의 처음으로 돌아가는 pool명령입니다. 여기까지 확인했으면 뭔가 미심쩍긴 하지만 그냥 프로그램을 읽어들여(parsing) 돌려보면(interpreting) 되겠다-는 느낌이 옵니다. 돌려보며 다음 명령어가 pipelining될 수 있으면 1을, 그렇지 않으면 3을 cycle에 계속 더해나가면 되기 때문이죠. 물론 마지막 instruction은 끝까지 수행해야하는 점만 유의해서요. 어라? 문제를 마저 읽어보니 '케이스 중에 무한 loop이 포함된 것은 없다' 라고 나와있네요? 이 순간 미심쩍은 마음도 날아가버리고 그냥 프로그램의 실행기를 작성하는 문제로 굳혀집니다 만세 ~(-_-)~
    (문제에 제시된 예제에 얼핏 무한 loop이 있는 게 보이지만 그건 레지스터 overflow로 바로 끝나는 케이스인 걸 알 수 있습니다)
    무한 loop이 있다면 이 문제는 '풀기 불가능'한 문제가 되어버립니다. 그 이유는 유한 시간에 cycle이 무한한지 아닌지를 판단해야 하는데, 이 자체가 이미 halting problem이기 때문입니다 ^^
    자 이제, 무언가 코딩양이 많고 복잡할 것 같은 실행기 작성을 어떻게 하면 빠른 시간에 오류 없이 짤까-하는 구현 문제가 남아버렸습니다. 수행속도를 위해 instruction을 하나의 구조체로 표현해서 프로그램을 파싱한 후 instruction의 집합을 가지고 수행을 합시다.
    분기(cond나 loop)같은 경우, dnoc / pool을 만나기 전까지는 그 분기점이 어디로 될지 모릅니다. 이 때엔 괄호 매칭하듯이 stack을 사용해서 괄호가 닫힐 때(dnoc / pool) 여는 부분에 분기 목표를적어주면 되겠죠.
    [/spoiler]
    [spoiler="[코드 보기]"]아래는 간단하게 switch를 사용하여 만들어본 C++ 해답 예제입니다. 반복되는 동작은 매크로로 정의해서 코딩속도를 높이고 실수를 줄이려고 노력해보았습니다. 조금 어려운 것이 명령어에서 value가 들어오는 부분 처리인데, 여기에 직접 값이 올 수도 있고 레지스터가 올 수도 있어 이를 하나로 인코딩할지 아니면 두 개로 나누어서 처리를 할지, 아니면 아예 instruction의 종류를 나누어(LOADI / LOADR같이) 처리할지 난감했는데, 그냥 어차피 값의 범위는 16bit 안이라 매우 큰 값을 두고 그 값을 기준으로 값이냐/레지스터 번호냐를 판가름하게 해서 하나의 val 필드로 인코딩했습니다. cond/loop/pool 명령에 필요한 분기 목적점도 val 필드에 집어넣게 하고 마지막으로 bit field를 사용해 instruction 구조체 크기를 8byte로 맞추었습니다 :$

    ~~~ cpp #include<iostream> #include<string> #include<vector> #include<stack> #include<algorithm>   using namespace std;   #define BIGVAL  1048576   #define OP_REG   (program[pc].reg) #define OP_VAL  (program[pc].val) #define value(v) ((v) >= BIGVAL ? reg[(v) - BIGVAL] : (v)) #define check_overflow(v) \  do { \   if ((v) < -32768 || (v) > 32767) \   return -1; \  } while(0) #define pipeline_accumulate() \  do { \   ret++; \   pipelined = true; \  } while(0) #define pipeline_clear() \  do { \   ret += 3; \   pipelined = false; \  } while(0)   typedef enum {  LOAD, STORE, MOVE, ADD, SUB, LOOP, POOL, COND, END } op_t;   struct instr {   op_t opcode : 16;   int reg : 16;   int val; };   int interpret(const vector<instr> &program) {  register int ret = 0;  register int m = 0;  register int pc = 0;  int reg[6] = {0};  bool pipelined = false;    while(true) {   switch(program[pc].opcode) {    case LOAD:     reg[OP_REG] = m;     pipeline_accumulate();     pc++;     break;    case STORE:     m = value(OP_VAL);     pipeline_accumulate();     pc++;     break;    case MOVE:     reg[OP_REG] = value(OP_VAL);     pipeline_accumulate();     pc++;     break;    case ADD:     reg[OP_REG] += value(OP_VAL);     check_overflow(reg[OP_REG]);     pipeline_accumulate();     pc++;     break;    case SUB:     reg[OP_REG] -= value(OP_VAL);     check_overflow(reg[OP_REG]);     pipeline_accumulate();     pc++;     break;    case LOOP:     if (reg[OP_REG] > 0) pc++;     else pc = program[pc].val;     pipeline_clear();     break;    case POOL:     pc = program[pc].val;     pipeline_clear();     break;    case COND:     if (reg[OP_REG] > 0) pc++;     else pc = program[pc].val;     pipeline_clear();     break;    case END:     return pipelined ? ret + 2 : ret;    default:     break;   }  } }   inline int parse_reg() {  string token;  cin >> token;  return token[1] - '0'; }   inline int parse_val() {  string token;  cin >> token;  if (token[0] == 'R')   return token[1] - '0' + BIGVAL;  else   return atoi(token.c_str()); }   void solve() {  int n;  int p = 0;  vector<instr> program;  stack<int> stk_cond;  stack<int> stk_loop;  instr inst;  cin >> n;  while(n--) {   memset(&inst, 0, sizeof(inst));   string token;   cin >> token;   if (token == "dnoc") {    program[stk_cond.top()].val = p;    stk_cond.pop();    continue;   }   if (token == "load") {    inst.opcode = LOAD;    inst.reg = parse_reg();   }   else if (token == "store") {    inst.opcode = STORE;    inst.val = parse_val();   }   else if (token == "move") {    inst.opcode = MOVE;    inst.reg = parse_reg();    inst.val = parse_val();   }   else if (token == "add") {    inst.opcode = ADD;    inst.reg = parse_reg();    inst.val = parse_val();   }   else if (token == "sub") {    inst.opcode = SUB;    inst.reg = parse_reg();    inst.val = parse_val();   }   else if (token == "loop") {    inst.opcode = LOOP;    stk_loop.push(p);    inst.reg = parse_reg();   }   else if (token == "pool") {    inst.opcode = POOL;    inst.val = stk_loop.top();    program[stk_loop.top()].val = p + 1;    stk_loop.pop();   }   else if (token == "cond") {    inst.opcode = COND;    inst.reg = parse_reg();    stk_cond.push(p);   }   program.push_back(inst);   p++;  }  memset(&inst, 0, sizeof(inst));  inst.opcode = END;  program.push_back(inst);    int result = interpret(program);    if (result == -1)   cout << "error" << endl;  else   cout << result << endl; }   int main(void) {  int tests;  cin >> tests;  while(tests--)   solve(); } ~~~ 
    [/spoiler] [spoiler="[조금 더 알고 싶다면]"]아래는 좀 더 복잡하게 만들어본 C++ 예제입니다. 복잡하다곤 하지만 위의 간단하다는 코드와 다른 부분은 interpret 함수 구조밖에 없습니다 :$
    ~~~ cpp #include<iostream> #include<string> #include<vector> #include<stack> #include<algorithm> using namespace std; #define BIGVAL  1048576 #define OP_REG   (program[pc].reg) #define OP_VAL  (program[pc].val) #define value(v) ((v) >= BIGVAL ? reg[(v) - BIGVAL] : (v)) #define check_overflow(v) \  do { \   if ((v) < -32768 || (v) > 32767) \   return -1; \  } while(0) #define pipeline_accumulate() \  do { \   ret++; \   pipelined = true; \  } while(0) #define pipeline_clear() \  do { \   ret += 3; \   pipelined = false; \  } while(0) typedef enum {  LOAD, STORE, MOVE, ADD, SUB, LOOP, POOL, COND, END } op_t; struct instr {   op_t opcode : 16;   int reg : 16;   int val; }; int interpret(const vector<instr> &program) {  register int ret = 0;  register int m = 0;  register int pc = 0;  int reg[6] = {0};  bool pipelined = false; #ifdef __GNUC__  void *label[] = {&&load, &&store, &&move, &&add, &&sub, &&loop, &&pool,   &&cond, &&end}; #define fetch() goto *label[program[pc].opcode] #else #define fetch() \  do { \   switch (program[pc].opcode) { \   case LOAD: goto load; \   case STORE: goto store; \   case MOVE: goto move; \   case ADD: goto add; \   case SUB: goto sub; \   case LOOP: goto loop; \   case POOL: goto pool; \   case COND: goto cond; \   case END: goto end; \   default: return -1; \   } \  } while(0)    #endif  fetch(); load:  reg[OP_REG] = m;  pipeline_accumulate();  pc++;  fetch(); store:  m = value(OP_VAL);  pipeline_accumulate();  pc++;  fetch(); move:  reg[OP_REG] = value(OP_VAL);  pipeline_accumulate();  pc++;  fetch(); add:  reg[OP_REG] += value(OP_VAL);  check_overflow(reg[OP_REG]);  pipeline_accumulate();  pc++;  fetch(); sub:  reg[OP_REG] -= value(OP_VAL);  check_overflow(reg[OP_REG]);  pipeline_accumulate();  pc++;  fetch(); loop:  if (reg[OP_REG] > 0) pc++;  else pc = program[pc].val;    pipeline_clear();  fetch(); pool:  pc = program[pc].val;  pipeline_clear();  fetch(); cond:  if (reg[OP_REG] > 0) pc++;  else pc = program[pc].val;    pipeline_clear();  fetch(); end:  return pipelined ? ret + 2 : ret; } inline int parse_reg() {  string token;  cin >> token;  return token[1] - '0'; } inline int parse_val() {  string token;  cin >> token;  if (token[0] == 'R')   return token[1] - '0' + BIGVAL;  else   return atoi(token.c_str()); } void solve() {  int n;  int p = 0;  vector<instr> program;  stack<int> stk_cond;  stack<int> stk_loop;  instr inst;  cin >> n;  while(n--) {   memset(&inst, 0, sizeof(inst));   string token;   cin >> token;   if (token == "dnoc") {    program[stk_cond.top()].val = p;    stk_cond.pop();    continue;   }   if (token == "load") {    inst.opcode = LOAD;    inst.reg = parse_reg();   }   else if (token == "store") {    inst.opcode = STORE;    inst.val = parse_val();   }   else if (token == "move") {    inst.opcode = MOVE;    inst.reg = parse_reg();    inst.val = parse_val();   }   else if (token == "add") {    inst.opcode = ADD;    inst.reg = parse_reg();    inst.val = parse_val();   }   else if (token == "sub") {    inst.opcode = SUB;    inst.reg = parse_reg();    inst.val = parse_val();   }   else if (token == "loop") {    inst.opcode = LOOP;    stk_loop.push(p);    inst.reg = parse_reg();   }   else if (token == "pool") {    inst.opcode = POOL;    inst.val = stk_loop.top();    program[stk_loop.top()].val = p + 1;    stk_loop.pop();   }   else if (token == "cond") {    inst.opcode = COND;    inst.reg = parse_reg();    stk_cond.push(p);   }   program.push_back(inst);   p++;  }  memset(&inst, 0, sizeof(inst));  inst.opcode = END;  program.push_back(inst);    int result = interpret(program);    if (result == -1)   cout << "error" << endl;  else   cout << result << endl; } int main(void) {  int tests;  cin >> tests;  while(tests--)   solve(); } ~~~

    혹시 컴퓨터구조를 공부해서 아시는 분들도 있겠지만, 이 문제와는 달리 실제 요즘 머신에서는 분기가 있다고 해서 pipelining을 아예 안하지 않습니다 : 분기 예측(branch prediction)이라고 해서, 어느 분기로 간다고 가정하고 미리 pipelining을 해버립니다. 물론 이 때 잘못 예측할 가능성이 분명 있기 때문에 그 경우 pipeline을 비워주고-_- 다시 채워야하는 문제가 있습니다. 거기에 switch같이 address table을 사용해서 간접 jump(jump할 목적 address가 변수인 형태)를 하는 경우에는 branch target buffer라는 개념을 추가로 사용합니다.
    위 복잡한 코드는 그런 branch target buffer misprediction을 줄이기 위한 최적화가 포함되었습니다. branch 지점을 늘려서 입력 코드가 부분적으로 일정한 패턴으로 수행되는 경우에 그 효율을 높이기 위한 것이죠. 거기에 더해 gcc에서 컴파일할 경우에는 gcc extension인 label as value를 사용하도록 했습니다. 이론적으로도 실제로도 단일 무한 loop switch에 비해 더 빠릅니다만 josh님께 소스를 보내 검증을 부탁드렸더니 수행속도면에서는 큰 차이를 못 느꼈다고 하시네요. 아마 코드를 interpreting하는 부분에 걸리는 시간 자체가 애초에 크지 않은 것 같습니다. 결국 뻘짓이 되어버렸는데 그냥 제가 요즘 하는 일에 연관되어 있다보니 아는 체 좀 하려고 써보았습니다 :)
    branch target buffer misprediction에 대한 링크 몇 개 걸어둘게요.
    http://en.wikipedia.org/wiki/Branch_target_predictor
    http://www.complang.tuwien.ac.at/anton/lvas/sem06w/revucky.pdf
    [/spoiler]

    • lazyboy
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    15년 전
1개의 댓글이 있습니다.
  • Being
    Being

    오오 간지 에디토리얼!


    15년 전 link
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