Ultimate Pipeline Simulator: Simulador do Pipeline do MIPS

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1 Ultimate Pipeline Simulator: Simulador do Pipeline do MIPS Cézar da Cunha Barcellos¹, Henrique Magalhães Simões² Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais {cezar.opaleiro¹, Resumo Já é de nosso conhecimento que a técnica pipelining é utilizada para acelerar a velocidade de operação dos processadores, possivelmente aumentando o desempenho de nossas aplicações. Usar um software com objetivo de auxiliar nosso aprendizado, tem se tornado algo potencialmente eficaz, principalmente para aqueles que fazem seu primeiro contato com a técnica pipelining. Os simuladores atuais ainda deixam lacunas nos requisitos para uma simulação satisfatória, são lacunas em: recursos, relatórios, animação e até mesmo resultados inesperados. A partir da necessidade de mitigar estas lacunas, foi desenvolvido o Ultimate Pipeline Simulador, um simulador do pipeline do MIPS aperfeiçoado, que possui novos recursos, que irão proporcionar um avanço ao aprendizado da técnica pipelining nos processadores MIPS. 1. Introdução A busca por desempenho tem se tornado algo indispensável quando falamos sobre sistemas computacionais atuais. Isso é um fato bastante interessante na evolução tecnológica dos computadores. É resultante dessa busca interminável, que foram surgindo novas técnicas e novos conceitos de arquiteturas computacionais, tais como arquiteturas Multicore (inserção de dois ou mais núcleos de processamento no interior de um único encapsula mento, capazes de processar várias instruções simultaneamente) [6]. A técnica de pipelining tem estado intimamente presente no desempenho dos processadores, portanto entender plenamente essa técnica, é algo de extrema importância para o estudo de arquiteturas computacionais atuais. A análise do comportamento da técnica pipelining, sem uso de uma ferramenta auxiliadora tal como um simulador, torna seu estudo um tanto abstrato e em alguns casos desanimador. É após agregar o uso do simulador aos nossos estudos que reconhecemos a sua importância. Essa ferramenta realmente vem proporcionando um ganho significativo na compreensão do comportamento da técnica pipelining. Depois de realizada pesquisa em sites sobre simuladores do pipeline do MIPS, foram encontrados alguns softwares que realizam essa simulação. Porém constatou-se que estes softwares ainda precisam de aperfeiçoamento, resolvendo erros e agregando novos recursos, pois uma simulação incorreta pode facilmente conduzir seu usuário a um estudo equivocado. Reconhecendo o potencial desse perigo, tornou-se principal motivação para criação de um simulador aperfeiçoado. 2. Trabalhos relacionados Alguns dos simuladores atuais seguem a estrutura proposta pelo livro Organização e Projeto de Computadores [1], esta estrutura consiste nestes cinco respectivos estágios: busca de instruções, decodificação, execução das instruções, acesso à memória de dados e escrita nos registradores. Caso ocorram dependências, ou seja, instruções que utilizam um mesmo registrador, a unidade de controle identifica os conflitos e atua de forma que o resultado da execução da instrução seja o esperado. Então é tarefa dos simuladores mostrarem a estrutura, técnicas e recursos em hardware para a resolução dos conflitos entre as instruções no pipeline. O simulador Visual MIPS [2], continua em desenvolvimento, novas funcionabilidades como estrutura de pipeline superescalar, está sendo incorporada no software, atualmente só é possível usar a estrutura de cinco estágios do MIPS. No modelo de cinco estágios ele possui um esquema de animação bastante complexo e detalhado, neste esquema é possível visualizar todo o processo. Porém para usuários que ainda não dominam a técnica de pipelining podem ter uma experiência um pouco confusa. Os recursos de adiantamentos [MD->EX], [ER->EX] e [ER->MD] também estão presentes, no entanto, só é possível habilitar os três recursos simultaneamente ou desabilitá-los, também é possível visualizar o conteúdo da memória e o conteúdo dos registradores. Para se usar o Visual MIPS é preciso que seu computador atenda os requisitos mínimos: possuir 23

2 o Visual BASIC 6.0 instalado e resolução da tela 1024x768. Este simulador não apresenta dados de speedup. No simulador WebSimple-MIPS [3], é muito simples compreender o processo de execução de cada instrução, mesmo para usuários que ainda não dominam a técnica de pipelining. Numa interface simples temos o modelo de cinco estágios e um campo para inserir as instruções de entrada. Neste campo o usuário tem a flexibilidade de modificar o código assembly (esta característica tem causado resultados inesperados durante a simulação), outro campo para configurar tempo do processador mono-ciclo e outro campo para configurar o tempo de ciclo do processador pipeline. Também é possível ao usuário controlar a simulação através do campo Simulation Control, proporcionando uma análise detalhada do processo, além da possibilidade de acelerar ou diminuir a velocidade do processo através do campo Clock Delay. Depois de realizada a simulação, é apresentado numa nova janela, o relatório da simulação, com as informações geradas no processo, este relatório contém as instruções e o respectivo registrador que gera as dependências RAW (Read after Write), o número de instruções executadas, ciclos, stalls (bolhas) e o cálculo do speedup também são visualizados. O WebSimple-MIPS [3], incorpora características muito importantes, a ativação de adiantamentos independentes e a capacidade de execução em vários ambientes ou plataformas, uma inovação no seguimento de simuladores de pipeline do MIPS. Assim como o WebSimple-MIPS [3], o WebMIPS (MIPS CPU Pipelined Simulation On Line) [4], possui a capacidade de execução em vários ambientes ou plataformas, ele possui uma interface muito completa e detalhada, recurso para carregar e editar um programa pré-definido como por exemplo uma simples calculadora também foi incorporado. Sua interface apenas suporta um idioma, o inglês. A interface complexa pode se tornar um fator limitante aos usuários iniciantes, outro ponto negativo é a visualização do fluxo de execução, que deixa a desejar quando se escolhe a opção Execute All, a simulação é feita instantaneamente. A ausência da capacidade de habilitar recursos de adiantamento o torna uma ferramenta limitada para o estudo da técnica pipelining. Nos controles da simulação é possível realizar uma simulação sem pausas, passo a passo, reiniciar o sistema e carregar um programa pré-definido. Não é possível retroceder a simulação passo a passo. Atualmente, não foi encontrado um simulador capaz de unir as funcionabilidades dos simuladores avaliados com confiabilidade. Ou seja, seria ideal um simulador capaz de informar ao usuário uma situação de erro, seja na entrada do código assembly ou nos parâmetros da simulação, além de incorporar uma interface amigável e de fácil compreensão, onde seria mostrado o que acontece durante o processo, os adiantamentos ativados e suas atuações. Capacidade de impressão de relatório e salva-lo, possibilitando ao usuário arquivar suas simulações. Além de uma interface com suporte a mais de um idioma. Enfim, tais melhorias tornariam ainda mais motivador o aprendizado. 3. Ultimate Pipeline Simulator Após reconhecermos a necessidade de uma ferramenta que nos proporcione confiabilidade e recursos inovadores, torna como objetivo específico da proposta e do desenvolvimento do software Ultimate Pipeline Simulator, criar um simulador que permita visualizar os adiantamentos ativados e suas atuações, número de bolhas, ciclos, instrução atual buscada no primeiro estágio e o progresso durante a simulação. Além de recursos de multi-linguagem e da possibilidade de imprimir e salvar relatórios. No caso de alguma informação for configurada de maneira incorreta, o usuário será alertado. Desde princípio do desenvolvimento da ferramenta, julgamos como requisitos indispensáveis, o desempenho e confiabilidade. E se o objetivo é construir uma aplicação de alto desempenho, a escolha da linguagem e do compilador adequados, podem ser fatores cruciais nesta fase do projeto. Então escolhemos a linguagem C++, essa linguagem em especial, possui características particulares como trabalhar com ponteiros e structs que faz dela uma linguagem muito poderosa. O compilador escolhido foi o C++ Builder [5], ele é um ambiente de desenvolvimento integrado (IDE) produzido pela CodeGear para a escrita de programas na linguagem C/C++. O aplicativo inclui ferramentas que permitem desenvolvimento visual através de "arrastar e soltar", tornando a programação mais simples. Era direcionado originalmente somente para a plataforma Windows. Versões mais recentes incorporaram o CLX, uma biblioteca de componentes multi-plataforma baseada em Qt (sistema multi-plataforma para o desenvolvimento de programas de interface gráfica), suportando Windows e Linux. O uso do C++ Builder como principal ferramenta de desenvolvimento nos proporcionou grande produtividade. O simulador Ultimate Pipeline Simulator é baseado no modelo da estrutura de cinco estágios, proposta pelo livro Organização e Projeto de Computadores [1]. 24

3 Na janela principal do Ultimate Pipeline Simulator (Figura 1), podemos reconhecer oito campos, nos quais, o usuário pode configurar a simulação conforme sua necessidade, o menu, campo de edição do código assembly, parâmetros, status da simulação, recursos, controle da simulação e a visualização do fluxo das instruções do pipeline. progresso, esta barra mostra o percentual concluido da simulação, a cada ciclo o progresso será incrementado. Este campo inovador dá ao usuário informações valiosas sobre o que está acontecendo durante a simulação, ele proporcionará informações que com outros simuladores só seriam vistas após a simulação no relatório final. Figura 3 Status da simulação Figura 1 Tela principal do simulador O menu (canto superior esquerdo da Figura 1) permite ao usuário realizar ações do tipo: novo código, abrir código, salvar código, recortar, copiar, colar e visualizar relatório. A opção visualizar relatório é inicialmente desabilitada, após o termino da simulação ela se tornará disponível. Ficando a critério do usuário a visualização do relatório. Na figura seguinte, a (Figura 2), vemos a área de configuração dos parâmetros do tempo de ciclo, esta área possibilita ao usuário configurar as características do processador pipeline e do processador monociclo. O usuário também pode configurar a velocidade da simulação, este valor informado poderá ser alterado a qualquer momento durante a simulação causando impacto imediato sobre a simulação. Figura 2 Parâmentros da simulação Na (Figura 3), podemos ver o que está acontecendo durante a simulação. No label instrução atual é mostrado a instrução que foi buscada no estágio BI (busca de instruções). Em ciclo temos o ciclo atual da execução, em bolhas é mostrado quantas bolha(s) já foram inseridas devido ao(s) conflito(s) presente entre as instruções. Em seguida vemos uma barra de No campo recursos (Figura 4), poderão ser ativados três tipos de adiantamentos, [MD -> EX] memória de dados para o estágio de execução, [ER -> EX] escrita nos registradores para o estágio de execução e [ER -> MD] escrita nos registradores para a memória de dados. Estes recursos podem ser ativados unicamente ou simultaneamente. A opção, Escalonamento Dinâmico, ainda não foi implementada, está designada como tarefa para trabalho futuro. Figura 4 Recursos Ao ativar recursos de adiantamento, será mostrado qual ou quais adiantamentos estão sendo usados no instante da simulação, quando o adiantamento for usado a sua indicação se tornará em vermelho. Este recurso inovador torna fácil a compreenção do funcionamento dos adiantamentos. Podemos visualizar este recurso em atuação na (Figura 5). Figura 5 Atuação dos adiantamentos 25

4 Outro recurso inovador incorporado no simulador foi o efeito sonoro. Ao ser detectado um conflito pela unidade de controle, será produzida uma bolha e durante o seu aparecimento no estágio de execução (EX), será emitido um som característico (Figura 6). simulação, ciclos na execução, bolhas, número de dependências RAW e o(s) adiantamento(s) ativado(s). Ainda no menu do relatório final é possível ao usuário salvar o relatório em formato (.doc) e também imprimilo. Essa inovação funcional traz grandes benefícios ao usuário, através desse recurso o usuário pode arquivar suas simulações para atuais e futuras análises. 3.1 Tratamento de erros Figura 6 Efeito sonoro na inserção de bolha A área de controle da simulação (Figura 7), permite ao usuário interagir diretamente com a simulação. Através dos botões de controle é possível retroceder passo a passo, avançar passo a passo, parar a simulação, pausar a simulação, execução automática e retomar a execução. Este recurso funcional é extremamente importante ele torna a analise bastante eficiente, o usuário pode avançar e retroceder cada ciclo, analisar adiantamentos e compreender suas atuações detalhadamente. Ainda há fôlego para inovações. Um recurso desejável é o tratamento de erros. Como sabemos é comum o usuário informar dados incorretos ao configurar uma simulação e submeter nossa simulação com dados inválidos é proporcionar uma situação de resultados inesperados. Diante deste problema foi implementado no Ultimate Pipeline Simulator, um sistema de tratamento de erros através de monitoramento de eventos e dois analisadores: analisador léxico e o analisador sintático. Dada uma situação de erro será mostrada uma janela informando o erro e a linha onde foi detectada sua ocorrência. Após a confirmação, a linha é destacada e após alguns segundos a aplicação é terminada. O analisador léxico irá detectar caracteres inválidos presentes no código assembly. Na (Figura 8), podemos observar uma situação onde seria gerado um erro léxico. Como o presente na linha três, não é permitido, o analisador léxico gera a mensagem de erro. Figura 7 Controles da simulação Ao término da simulação é habilitada a opção de visualizar relatório, este recurso contém informações geradas durante da simulação. O relatório final é composto de quatro áreas, são elas: saída, conflitos, speedup e estatísticas. No campo saída, contém a seqüência de instruções geradas após simulação, em dependências RAW, temos a indicação de dependência mostrando as linhas dependentes e o respectivo registrador que gera as dependências RAW. Em seguida temos as outras áreas do relatório final, área de speedup e estatísticas. Em speedup é calculado o valor a partir dos valores informados antes da simulação, o valor de tempo do processador que implementa o pipelining e o processador monociclo, a fórmula do cálculo é descrita nessa área. Em estatísticas é mostrado valores relacionados à Figura 8 Situação de erro léxico Na (Figura 9), vemos novamente uma situação de erro, é um erro do tipo sintático, cada instrução assembly possui uma sintaxe em particular, ou seja, uma estrutura gramatical. No exemplo da (Figura 10), temos a instrução LW $1,400($2.Essa instrução por 26

5 exemplo é composta por um identificador (id), um registrador destino (Reg1), o deslocamento (Des), um parênteses da esquerda e um registrador fonte (Reg2). Então o analisador sintático irá analisar a seqüência de entrada e sua ordem (id+reg1+des+(+reg2). Analisando sua seqüência, vemos que está faltando o último parênteses, o parênteses da direita, logo o analisador sintático irá gerar uma mensagem de erro. Figura 9 Situação de erro sintático Outro campo onde possivelmente traria conseqüências inesperadas a simulação, é o campo de parâmetros (Figura 10). Neste campo, somente é aceito dígitos e como existe a possibilidade da inserção de vários caracteres, precisamos analisar este evento. Para tratar este tipo de erro o Ultimate Pipeline Simulator, dispõe de um sistema de monitoramento de evento, neste caso em específico, o teclado ou qualquer evento que provoque alteração no campo. Se a entrada for diferente de digito, a monitoração de evento produzirá uma mensagem de advertência (Figura 10). Figura 10 Erro por dados inválidos Apesar desta primeira versão do Ultimate Pipeline Simulator suportar instruções de desvio, não foram implementadas soluções de conflitos por controle. É tarefa associada à próxima versão. Os arquivos de análise, executáveis dos simuladores analisados, assim como o simulador Ultimate Pipeline Simulator e seu código fonte, estão disponíveis para download [8]. 4. Resultados O Ultimate Pipeline Simulator traz a possibilidade de visualizar a atuação de cada adiantamento, efeito sonoro ao se inserir bolha, salvar e imprimir relatórios associado a uma simulação confiável, estas são características até então únicas e inovadoras, disponibilizando ao usuário uma forte ferramenta de aprendizado da técnica pipelining. A incapacidade de visualizar a atuação dos adiantamentos, vista nos trabalhos relacionados, torna abstrato o estudo do recurso, em especial a principiantes. Este recurso mostra o comportamento de cada adiantamento em particular, tal animação proporciona uma melhor compreensão do seu funcionamento. De acordo com a proposta central do desenvolvimento da ferramenta, o simulador Ultimate Pipeline Simulator, torna a visualização do funcionamento dos recursos de adiantamento mais clara e compreensível, associado a uma simulação confiável. A tabela abaixo (Tabela 1), contém exemplos de códigos assembly, estes foram submetidos a testes no Ultimate Pipeline Simulator. Tais testes possuem a finalidade de mostrar a eficiência dos adiantamentos, tanto usados simultaneamente quanto separadamente. Código 1 Código 2 Código 3 LW $1,100($10) LW $1,200($2) XOR $2,$1,$4 SW $1,200($20) LW $2,300($3) AND $12,$11,$2 XOR $20,$1,$11 ADD $6,$1,$3 ADD $20,$1,$2 AND $12,$11,$2 SW $6,100($2) LW $1,130($20) ADD $20,$1,$20 XOR $7,$6,$3 SW $2,120($1) LW $1,130($20) LW $1,400($2) LW $2,200($20) SW $1,120($2) AND $8,$7,$1 XOR $11,$16,$12 LW $2,200($20) LW $9,900($8) ADD $10,$11,$2 XOR $1,$16,$12 SW $9,850($5) LW $1,130($10) ADD $10,$1,$2 XOR $9,$9,$1 LW $1,240($2) Tabela 1 Exemplos de códigos assembly Através do gráfico a seguir (Gráfico 1), mostraremos a eficiência e a necessidade do uso dos adiantamentos de forma simultânea e separadamente. 27

6 Tempo de Execução (ns) Análise dos Adiantamentos Código 1 Código 2 Código 3 Sem adiantamento [MD->EX] [ER->EX] [ER->MD] [MD->EX][ER->EX] [MD->EX][ER->MD] [ER->EX][ER->MD] [MD->EX][ER->EX][ER->MD] Gráfico 1 Análise dos Adiantamentos Analisando o Código 1, vemos que o uso de forma individual dos adiantamentos [ER->EX] e [MD- >EX], geraram o mesmo resultado, considerando o tempo de ciclo do processador pipeline de 10ns, foi registrado um tempo de execução de 190ns, quatro ciclos a mais que o uso da combinação dos dois adiantamentos [MD->EX] e [ER->EX], neste caso em particular fica claro que para o uso destes adiantamentos de forma individual, ambos os adiantamentos produziriam o mesmo desempenho para essa seqüencia de instruções. No Código 2, vimos que o uso individual do adiantamento [ER->EX] produz o melhor resultado, apenas um ciclo a mais que o uso da combinação dos dois adiantamentos [MD->EX] e [ER- >EX] porém mesmo com a utilização dos três adiantamentos combinados, não foi possível eliminar todos os conflitos por dados, devido à presença das instruções LW $1,400($2), seguida por AND $8,$7,$1 e LW $9,900($8), seguida por SW $9,850($9), estas situações obrigaram a unidade de controle inserir uma bolha entre as instruções, penalizando nosso tempo de execução em dois ciclos a mais. Observando o Código 3, novamente o adiantamento [ER->EX] se destaca como a melhor opção no uso dos adiantamentos de forma individual, neste caso o uso do adiantamento [ER->EX] seria a melhor solução considerando o uso dos adiantamentos de forma individual. Com o tempo de ciclo do processador pipeline de 10ns, conseguimos um tempo de execução de 190ns, dois ciclo a menos que o uso do adiantamento [MD->EX] e quatro ciclos a mais que o uso da combinação dos três adiantamentos. Na tabela a seguir mostra um comparativo entre os simuladores relacionados analisados e o Ultimate Pipeline Simulator, considerando as características desejáveis propostas no final da segunda seção deste artigo e as características já presentes em cada simulador. Características Salvar código assembly Editar código assembly Adiantamento [ MD ->EX ] Adiantamento [ MD ->EX ] Adiantamento [ ER ->MD ] Ativação Individual dos adiantamentos Solução de conflitos de controle Tratamento de erros com análise e indicação Interface de fácil aprendizado Controle de velocidade da simulação Avanço passo a passo Retrocesso passo a passo WebSimple-MIPS Simuladores WebMIPS Visual MIPS Ultimate Pipeline Simulator Nº de bolhas durante a simulação Nº de ciclos durante a simulação Indicação dos adiantamentos ativados durante a simulação Visualização da atuação dos adiantamentos ativados durante a simulação Efeito sonoro na inserção de bolhas Estatísticas avançadas Cálculo do speedup Nº de bolhas Nº de ciclos na execução Nº de dependências RAW Adiantamentos ativados Origens dos conflitos Saída do processo Impressão de relatório Salvar relatório Web-Based Suporte a multi-linguagem Tabela 2 Comparativo entre os simuladores relacionados e o Ultimate Pipeline Simulator 28

7 Analisando a (Tabela 2) observamos que o Ultimate Pipeline Simulator possui as principais características encontradas nos simuladores relacionados e o acréscimo das principais funcionalidades propostas neste artigo além do aprimoramento das funcionabilidades e oferecer um ambiente mais interativo, amigável e confiável ao usuário. 5. Conclusão Todos os objetivos propostos neste artigo foram alcançados com ferramenta de simulação, Ultimate Pipeline Simulator. O ambiente de simulação proporcionado por este novo simulador, torna um fator motivador ao estudo da técnica de pipelining, associado a uma ferramenta de simulação. Com o simulador é possível visualizar a atuação dos recursos de adiantamento durante a simulação, contabilizar dados como bolhas, ciclos, instrução buscada no primeiro estágio do pipeline, progresso da simulação, ouvir um som quando houver inserção de bolha, todos durante a simulação além de suporte a multi-linguagem e salvar e imprimir relatórios. E se por acaso o usuário informar algum valor incorreto que conduziria a simulação a resultados inesperados, o usuário é advertido com mensagens de erro. A interface amigável permite aos usuários tanto avançados como iniciantes realizar suas simulações sem a necessidade de treinamento prévio. A associação do simulador aos estudos da técnica de pipelining causa novo impacto no aprendizado da disciplina Arquitetura de Computadores, oferecendo ao aluno uma ferramenta mais completa e confiável. A principal contribuição deste trabalho é o desenvolvimento de um simulador aperfeiçoado oferecendo ao usuário novos recursos e proporcionando um crescimento da motivação do estudo da técnica pipelining. Como trabalho futuro recursos como escalonamento dinâmico e um gráfico comparativo de speedup serão acrescentado ao simulador. Com a implementação destas novas funcionabilidades, visando ainda mais o aperfeiçoamento da ferramenta, espera-se tornar o uso de simuladores em estudos da técnica pipelining, uma prática indispensável. 6. Referencias [1] D. A. Patterson and J. L. Hennessy, Computer Organization and Design: The Hardware/Software Interface, 3nd ed., Morgan Kaufmann Publishers, [2] IKRAM, M. J. A Configurable MIPS Simulator Disponível em: Acesso em: 07/06/2009. [3] Websimple - MIPS: Simulador web-based do pipeline do MIPS. Disponível em: <http://matheus.ath.cx/simple/>. [4] WebMIPS (MIPS CPU Pipelined Simulation On Line). Disponível em: < [5]Página Oficial do C++ Builder. Disponível em: [6] TAN, G. et al. Improving performance of dynamic programming via parallelism and locality on multicore architectures. Parallel and Distributed Systems, IEEE Transactions on, Disponível em: <http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnu mber= &isnumber= >. [7] GRUNBACHER, H.. Teaching computer architecture/organisation using simulators. Frontiers in Education Conference, FIE '98. 28th Annual Disponível em: <http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnu mber=738576&isnumber=15919> [8] Ultimate Pipeline Simulator: Simulador do Pipeline do MIPS. Disponível em:< 29

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