Pipelining. Professor: Carlos Bazilio. Pólo Universitário rio de Rio das Ostras

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Yasmin Carvalho Vilalobos
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1 Pipelining Professor: Carlos Bazilio

2 Contextualizando Após apresentação da arquitetura interna de processadores Memória de Controle Microprograma Linguagem de Máquina...

3 Motivação

4 Idéia Geral Estágios Tempo Divisão do processamento em estágios Aumento de desempenho dos processadores

5 Características de uma máquina pipeline Execução idêntica à versão sequencial. Concorrência temporal. SISD (Single Instruction, Single Data). Melhora a vazão no processamento Cadência entre os estágios (utilização de latches).

6 Classificação de pipelines Tipo de processamento de instruções e aritmético Controle do fluxo de dados síncronos e assíncronos Funcionalidade unifuncional e multifuncional Estrutura linear e não-linear Controle da estrutura estático e dinâmico

e assíncronos Funcionalidade unifuncional e multifuncional

7 Classificação de pipelines Tipo de processamento de instruções e aritmético Controle do fluxo de dados síncronos e assíncronos Funcionalidade unifuncional e multifuncional Estrutura linear e não-linear Controle da estrutura estático e dinâmico

8 Classificação de pipelines Pipeline de Instruções Pipeline Aritmético

9 Classificação de pipelines Tipo de processamento de instruções, aritmético Controle do fluxo de dados síncrono e assíncrono Funcionalidade unifuncional e multifuncional Estrutura linear e não-linear Controle da estrutura estático e dinâmico

e assíncrono Funcionalidade unifuncional e multifuncional

10 Classificação de pipelines Síncrono Assíncrono

11 Classificação de pipelines Tipo de processamento de instruções, aritmético Controle do fluxo de dados síncronos e assíncronos Funcionalidade unifuncional e multifuncional Estrutura linear e não-linear Controle da estrutura estático e dinâmico

12 Classificação de pipelines Unifuncional Multifuncional

13 Classificação de pipelines Tipo de processamento de instruções, aritmético Controle do fluxo de dados síncronos e assíncronos Funcionalidade unifuncional e multifuncional Estrutura linear e não-linear Controle da estrutura estático e dinâmico

14 Linear Classificação de pipelines Não-Linear

15 Classificação de pipelines Tipo de processamento de instruções, aritmético Controle do fluxo de dados síncronos e assíncronos Funcionalidade unifuncional e multifuncional Estrutura linear e não-linear Controle da estrutura estático e dinâmico

16 Estático Classificação de pipelines Dinâmico

17 Problemas de Conflito Dependências entre instruções Ex.: desvios condicionais 15% 5% Aritméticas 20% 60% Desvios Condicionais Armazenamento Desvios Incondicionais

18 Problemas de Conflito

19 Tipos de Conflito Dependência de Dados Dependência de Controle Conflitos de Recurso

20 Tipos de Conflito Dependência de Dados Dependência de Controle Conflitos de Recurso

21 Tipos de Conflito Dependência de Dados Verdadeira Leitura após Escrita A = B + C; D = A + E; Não pode ser quebrada Falsa Antidependência (Escrita após Leitura) A = B + C; B = D + E; Saída (Escrita após Escrita) A = B + C; A = D + E Normalmente tratadas com renomeação de registradores

22 Tipos de Conflito Dependência de Dados Dependência de Controle Conflitos de Recurso

23 Tipos de Conflito Dependência de Controle Congelamento do pipeline Previsão de Desvios Estática Dinâmica Múltiplos Fluxos

24 Tipos de Conflito Dependência de Controle Congelamento do pipeline Previsão de Desvios Estática Dinâmica Múltiplos Fluxos

25 Congelamento do Pipeline Na ocorrência de um desvio condicional, o pipeline é interrompido até que se descubra se o desvio ocorrerá ou não. Nessa abordagem há um desperdício grande de ciclos ociosos (NOP). Método simples e seguro.

26 Tipos de Conflito Dependência de Controle Congelamento do pipeline Previsão de Desvios Estática Dinâmica Múltiplos Fluxos

27 Previsão de Desvios Estática Previsão feita antes da execução. Simples e menos custosa se comparada com previsão em tempo de execução. Taxa de 70% para previsão de desvios sempre tomados. Taxas mais altas necessitam do auxílio do compilador e de informações do perfil do programa.

28 Tipos de Conflito Dependência de Controle Congelamento do pipeline Previsão de Desvios Estática Dinâmica Múltiplos Fluxos

29 Previsão de Desvios Dinâmica Previsão feita durante a execução. Técnicas armazenam histórico dos desvios. BTB (Branch Target Buffer)

30 Tipos de Conflito Dependência de Controle Congelamento do pipeline Previsão de Desvios Estática Dinâmica Múltiplos Fluxos

31 Múltiplos Fluxos Execução dos 2 caminhos da instrução condicional independente do valor a ser obtido. Descarte de uma das execuções após saber o valor do desvio. Não há perda de ciclos. Entretanto, há aumento no hardware.

32 Tipos de Conflito Dependência de Dados Dependência de Controle Conflitos de Recurso

33 Conflitos de Recurso Disputa de 2 ou mais instruções pelo mesmo recurso. Ex.: Acesso à uma unidade funcional Adição de novos recursos encarece o hardware. Divisão do recurso em estágios de um pipeline (válido quando há instruções independentes).

34 Análise de Eficiência do Pipeline Supondo um pipeline de 5 estágios, um desvio implica no esvaziamento de 4 ciclos (b = 4). Suponha P b = 0.25 (probabilidade de uma instrução ser um desvio). Suponha P t = 0.5 (probabilidade do desvio ser tomado). Quando não há desvios, no. de ciclos / instrução = 1 (CPI ideal ) Número de ciclos médio para execução de uma instrução (CPI med )? Eficiência da execução?

35 Análise de Eficiência do Pipeline CPI med = (1 - P b )(CPI ideal ) + P b [P t (1+b) + (1- P t )(CPI ideal )] CPI med = 1,5 ciclos Eficiência = CPI ideal / CPI med = 1 / 1,5 = 67%

36 Referências Bibliográficas Arquiteturas Paralelas; De Rose, Navaux; Série Livros Didáticos; No. 15; Ed. Sagra Luzzatto. Introdução à Arquitetura de Computadores; Murdocca, Heuring; Ed. Campus. Advanced Computer Architecture; Kai Hwang, McGraw-Hill Series in Computer Science.

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