Aula 15: Ciclo de Execução e Introdução ao Pipeline

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1 Aula 15: Ciclo de Execução e Introdução ao Pipeline Diego Passos Universidade Federal Fluminense Fundamentos de Arquiteturas de Computadores Diego Passos (UFF) Ciclo de Execução; Intro ao Pipeline FAC 1 / 42

2 Revisão Diego Passos (UFF) Ciclo de Execução; Intro ao Pipeline FAC 2 / 42

3 Na Última Aula Começamos a falar sobre as instruções de máquina Operações simples que o hardware é capaz de executar Programas executados por um computador são armazenados como sequências de instruções na memória Há um registrador especial chamado PC Ele armazena o endereço da próxima instrução a ser executada A cada nova instrução executada, PC é incrementado Diego Passos (UFF) Ciclo de Execução; Intro ao Pipeline FAC 3 / 42

4 Na Última Aula (II) Discutimos tipos de instrução Instruções aritméticas Instruções lógicas Instruções de desvio condicional Instruções de desvio incondicional Vimos exemplos destes tipos de instrução na arquitetura MIPS add beq and Diego Passos (UFF) Ciclo de Execução; Intro ao Pipeline FAC 4 / 42

5 Na Última Aula (III) Também vimos que instruções têm formatos específicos Esquema de representação Define quais e como informações são guardadas na instrução Finalmente, discutimos os operandos de uma instrução Parâmetros da operação a ser executada Podem ser, por exemplo, imediatos (constantes numéricas) ou registradores Diego Passos (UFF) Ciclo de Execução; Intro ao Pipeline FAC 5 / 42

6 Ciclo de Execução de uma Instrução Diego Passos (UFF) Ciclo de Execução; Intro ao Pipeline FAC 6 / 42

7 Ciclo de Execução de uma Instrução Um processador funciona em ciclos De tempos em tempos, ele executa a mesma sequência de passos Potencialmente, com entradas diferentes Manipulando as entradas, obtemos os resultados desejados Estes ciclos consistem na execução de instruções As entradas são os dados Mas também as instruções em si Mudando o programa, também mudamos a saída Diego Passos (UFF) Ciclo de Execução; Intro ao Pipeline FAC 7 / 42

8 Composição (Básica) do Ciclo de Execução de uma Instrução Vista na aula passada: Buscar Instrução Interpretar Instrução Executar Instrução Próxima instrução é buscada na memória Instrução é interpretada ie, reconhecem-se o tipo, os operandos, etc Operação indicada é executada Diego Passos (UFF) Ciclo de Execução; Intro ao Pipeline FAC 8 / 42

9 Ciclo de Execução: Mais Detalhadamente Partes do ciclo mostrado no slide anterior são complexas Interpretar instrução Executar instrução Há vários detalhes que ocorrem dentro de cada uma Usualmente, definimos o ciclo de execução de uma instrução de forma mais detalhada Diego Passos (UFF) Ciclo de Execução; Intro ao Pipeline FAC 9 / 42

10 Ciclo de Execução: Mais Detalhadamente (II) Início Buscar Instrução na Memória Decodificar a Operação a Ser Realizada Buscar Operandos (Se Houver) Executar a Operação Armazenar Resultado (Se Houver) Término Há fases de Busca de Operandos e Armazenamento de Resultado No esquema anterior, faziam parte de Interpretar Instrução e Executar Instrução Nos próximos slides, discutiremos cada uma destas fases Diego Passos (UFF) Ciclo de Execução; Intro ao Pipeline FAC 10 / 42

11 Buscar Instrução Primeiro passo na execução da instrução: Descobrir qual ela é Instruções são armazenadas na MP Processador só consegue manipular informações em seus registradores Logo, antes de mais nada, processador precisa trazer instrução da MP para algum registrador Não um registrador qualquer: o IR Instruction Register Em algumas arquiteturas, as instruções têm comprimento fixo eg, MIPS, com instruções de 32 bits Em outras, comprimento pode ser variável eg, x86, com instruções de até 15 bytes Neste caso, busca da instrução pode não ser tão simples Diego Passos (UFF) Ciclo de Execução; Intro ao Pipeline FAC 11 / 42

12 Buscar Instrução (II) A busca de uma instrução, portanto, é basicamente uma leitura da memória Como o processador sabe o endereço a ser lido? Já discutido anteriormente Há um outro registrador especial que o armazena O Program Counter, ou PC Outros nomes: IC (Instruction Counter), IP (Instruction Pointer) PC tem que ser constantemente atualizado Para apontar para a próxima instrução a ser executada Normalmente, instruções são executadas na ordem em que aparecem em memória Logo, após a leitura da instrução atual, PC já é incrementado Diego Passos (UFF) Ciclo de Execução; Intro ao Pipeline FAC 12 / 42

13 Decodificar a Instrução Objetivo geral: entender a instrução ie, entender o que a sequência de bits representa Envolve uma série de sub-tarefas: Qual é a operação a ser realizada? Qual é o formato da instrução? Onde estão os operandos? Diego Passos (UFF) Ciclo de Execução; Intro ao Pipeline FAC 13 / 42

14 Decodificar a Instrução (II) Opcode: (2) = 0 (10) Significado: Operação Lógica ou Aritmética Operando 1: (2) =17 (10) Significado: Primeiro Operando está no Reg 17 Operando 2: (2) =18 (10) Significado: Segundo Operando está no Reg 18 Resultado: (2) =8 (10) Significado: Armazenar Resultado no Reg 8 Campo não Utilizado Nesta Instrução (deve sempre ser 0) Função: (2) =32 (10) Significado: Operação de Soma Diego Passos (UFF) Ciclo de Execução; Intro ao Pipeline FAC 14 / 42

15 Decodificar a Instrução (III) Primeiro passo, normalmente, é reconhecer o opcode Dado o opcode, geralmente, o restante do formato da instrução é conhecido pelo processador ie, processador sabe como tratar os demais bits da instrução Adicionalmente, opcode define o tipo de operação a ser realizada Opcode: (2) = 0 (10) Operando 1: Registrador Operando 2: Registrador Resultado: Registrador Deslocamento Função Significado: Operação Lógica ou Aritmética Formato: R Diego Passos (UFF) Ciclo de Execução; Intro ao Pipeline FAC 15 / 42

16 Decodificar a Instrução (IV) Uma vez reconhecido o formato da instrução, pode-se descobrir a localização dos operandos Podem estar já em registradores Podem ser constantes numéricas especificadas na própria instrução Podem ser endereços de memória O opcode da instrução determina a semântica dos bits dos operandos ie, o que fazer com eles para encontrar os operandos eg, usar como identificador de um registrador, somar com uma constante para obter um endereço de memória Diego Passos (UFF) Ciclo de Execução; Intro ao Pipeline FAC 16 / 42

17 Busca de Operandos Note que nem toda instrução possui operandos Exemplo: instrução nop no x86 No Operation Instrução que não faz nada Embora cause efeitos colaterais, como incrementar o PC Mas na enorme maioria dos casos, instruções possuirão ao menos um operando Sempre verdade no MIPS, por exemplo Diego Passos (UFF) Ciclo de Execução; Intro ao Pipeline FAC 17 / 42

18 Busca de Operandos (II) A busca de operandos consiste na tarefa de encontrar os valores sob os quais será realizada a operação Os respectivos bits são passados como entrada de componentes internos do processador Como somadores, deslocadores, multiplexadores, Um caso comum ocorre quando operando está na MP Endereço é dado por alguma combinação de valores em registradores e constantes específicas na própria instrução Processador requisita leitura à MP Diego Passos (UFF) Ciclo de Execução; Intro ao Pipeline FAC 18 / 42

19 Busca de Operandos (III) Registrador Registrador Seletor Outro Dado 0 Mux 1 Note que mesmo para operandos em registradores, há algo a se fazer nesta etapa Bits do registrador especificado devem ser conectados ao(s) componente(s) adequado(s) Somador Diego Passos (UFF) Ciclo de Execução; Intro ao Pipeline FAC 19 / 42

20 Busca de Operandos (IV) Seletor Imediato (Instrução) Registrador Endereço do Operando na MP 0 Mux 1 Somador Registrador Note ainda que certos casos de busca de operandos requerem a execução de algum tipo de processamento Comumente, somas Algumas vezes deslocamentos (multiplicações por potências de 2) Exemplo: instrução load word no MIPS Endereço: valor de registrador + imediato Diego Passos (UFF) Ciclo de Execução; Intro ao Pipeline FAC 20 / 42

21 Execução da Operação Uma vez que os bits dos operandos estejam conectados aos componentes corretos do processador, a instrução é executada Esta execução geralmente consiste em algum tipo de operação lógica-aritmética Somar dois números Calcular um xor bit a bit Em alguns casos particulares, a operação pode ser simplesmente não fazer nada com o dado eg, deixar o dado passar Exemplo: operações de leitura ou escrita na memória Diego Passos (UFF) Ciclo de Execução; Intro ao Pipeline FAC 21 / 42

22 Execução da Operação (II) Esta fase também consiste em configurar alguns componentes da CPU Determinados componentes precisam de informações adicionais Linhas de controle Especificam como o componente deve agir sobre os dados Exemplos clássicos: Um multiplexador: sinal na linha de controle seleciona entre primeira e segunda entrada Unidade lógica-aritmética: sinal nas linhas de controle selecionam operação lógica aritmética a ser realizada Os sinais destas linhas de controle são geralmente determinados a partir de campos da instrução Como opcode e função, no caso do MIPS Diego Passos (UFF) Ciclo de Execução; Intro ao Pipeline FAC 22 / 42

23 Armazenamento dos Resultados Etapa similar à de busca de operandos Mas no sentido inverso ie, ao invés de ler valores, estes são armazenados em local apropriado Este local pode ser um registrador ou algum endereço da MP Assim como ocorre na busca de operandos, opcode e formato da instrução determinam o local Também de forma similar, pode ser necessário realizar processamento para determinar exatamente este local ie, algum tipo de conta Exemplo clássico: instruções de transferência para a MP do MIPS Soma de registrador com imediato Diego Passos (UFF) Ciclo de Execução; Intro ao Pipeline FAC 23 / 42

24 Armazenamento dos Resultados Note ainda que certas instruções não geram dados a serem armazenados Ao menos não na MP ou em registradores de propósito geral eg, instruções de desvio Única (possível) escrita é no PC Diego Passos (UFF) Ciclo de Execução; Intro ao Pipeline FAC 24 / 42

25 Introdução ao Conceito de Pipeline Diego Passos (UFF) Ciclo de Execução; Intro ao Pipeline FAC 25 / 42

26 Ciclos de CPU vs Instruções Processadores operam em ciclos Duração de um ciclo do processador é determinada pela frequência do seu clock Clock de 1 GHz rightarrow 1 bilhão de ciclos por segundo Pergunta: quantas instruções um processador operando a 1 GHz de clock executa por segundo? Diego Passos (UFF) Ciclo de Execução; Intro ao Pipeline FAC 26 / 42

27 Ciclos de CPU vs Instruções Processadores operam em ciclos Duração de um ciclo do processador é determinada pela frequência do seu clock Clock de 1 GHz rightarrow 1 bilhão de ciclos por segundo Pergunta: quantas instruções um processador operando a 1 GHz de clock executa por segundo? Resposta: depende! Pode ser exatamente 1 bilhão Pode ser menos Pode ser mais Diego Passos (UFF) Ciclo de Execução; Intro ao Pipeline FAC 26 / 42

28 Ciclos de CPU vs Instruções Por que depende? É possível projetar um processador que execute exatamente uma instrução a cada ciclo O que veremos nas próximas aulas Mas há vantagens em quebrar a execução de uma instrução em vários ciclos de clock Reutilização de componentes Permitir que instruções mais simples levem menos tempo Permitir paralelismo Voltaremos a este ponto em aulas posteriores Mas por hora, o foco será no último ponto Diego Passos (UFF) Ciclo de Execução; Intro ao Pipeline FAC 27 / 42

29 Pipeline: Uma Analogia Vamos usar uma analogia 1 para entender o conceito de Pipeline (Patterson): Suponha uma república de estudantes com 4 pessoas: Ann, Brian, Cathy, Dave Toda segunda-feira à noite, eles lavam roupa Cada um possui um conjunto de roupas sujas Aproximadamente a mesma quantidade de roupas Processo composto por 4 etapas: Máquina de lavar: 30 minutos Secador/passar roupas: 30 minutos Dobrar roupas: 30 minutos Guardar roupas: 30 minutos 1 Adaptado de pattrsn/61cs99/lectures/lec25-pipelinepdf Diego Passos (UFF) Ciclo de Execução; Intro ao Pipeline FAC 28 / 42

30 Pipeline: Uma Analogia (II) Solução sequencial: Cada pessoa aguarda a conclusão da anterior 6 PM AM Ordem das Tarefas A B C D Time Diego Passos (UFF) Ciclo de Execução; Intro ao Pipeline FAC 29 / 42

31 Pipeline: Uma Analogia (III) Solução alternativa: A medida que uma pessoa termina uma fase, a seguinte inicia aquela fase do seu conjunto de roupas 12 2 AM 6 PM Time Ordem das Tarefas A B C D Diego Passos (UFF) Ciclo de Execução; Intro ao Pipeline FAC 30 / 42

32 Pipeline: Uma Analogia (IV) Na solução original, cada pessoa demora 4 30 = 120 minutos para lavar sua roupa Na solução alternativa também Mas o tempo total na solução alternativa é muito menor: 210 minutos, contra 480 minutos Em outras palavras: O tempo de resposta para uma única tarefa (pessoa) não mudou Mas a vazão do sistema (pessoas atendidas por unidade de tempo) aumentou 118% Maior eficiência vem do uso de pipeline ie, executar etapas de tarefas diferentes em paralelo Evita que recursos fiquem ociosos Diego Passos (UFF) Ciclo de Execução; Intro ao Pipeline FAC 31 / 42

33 Ciclo de Execução de Instrução e Pipeline Podemos aplicar a mesma técnica para a execução de instruções em uma CPU? Sim, desde que possamos quebrar a tarefa de execução das instruções em sub-tarefas independentes Podemos, por exemplo, considerar as subtarefas como as etapas do ciclo de execução de uma instrução Busca da instrução Decodificação Busca dos operandos Execução Armazenamento do Resultado Assumindo, é claro, que não haja dependência entre as etapas de instruções subsequentes Diego Passos (UFF) Ciclo de Execução; Intro ao Pipeline FAC 32 / 42

34 Ciclo de Execução de Instrução e Pipeline: Eficiência No jargão de arquitetura de computadores, cada subtarefa é chamada de estágio do pipeline Considerando um pipeline com 5 estágios, o estado do pipeline ao longo do tempo: S1: S2: S3: S4: S5: Tempo Quantas instruções são executadas por ciclo de clock? Diego Passos (UFF) Ciclo de Execução; Intro ao Pipeline FAC 33 / 42

35 Ciclo de Execução de Instrução e Pipeline: Eficiência (II) Com 5 estágios, primeira instrução demora 5 ciclos de clock Após este tempo, a cada 1 ciclo, temos mais uma instrução sendo concluída Para executar n instruções, precisamos de t = 5 + n 1 = n + 4 ciclos Logo, processador executa n n+4 instruções por ciclo de clock Para n grande, isso é praticamente 1 Eficiência não é perfeita porque os k primeiros ciclos são gastos enchendo o pipeline Onde k é o número de estágios Diego Passos (UFF) Ciclo de Execução; Intro ao Pipeline FAC 34 / 42

36 Pipeline vs Monociclo Na conta anterior, verificamos que com o pipeline quase conseguimos atingir uma instrução por ciclo Então qual é a vantagem de usar um pipeline com vários estágios ao invés de uma solução que faz tudo em um ciclo só? A vantagem está na duração do ciclo Como, individualmente, cada estágio do pipeline faz algo simples, a duração de um ciclo pode ser curta Na implementação monociclo, cada ciclo é mais complexo, longo Exemplo: o que é melhor? Quase uma tarefa por ciclo, com ciclo de 1 ns Exatamente uma tarefa por ciclo, com ciclo de 5 ns Diego Passos (UFF) Ciclo de Execução; Intro ao Pipeline FAC 35 / 42

37 Pipeline e Desvios A técnica de pipeline é efetiva, desde que mantenhamos o pipeline cheio ie, quando uma instrução está no estágio i, a próxima está no estágio i + 1 Mas como o processador sabe qual é a próxima instrução? A princípio, uma tarefa fácil Programas são sequências de instruções armazenadas em memória Também de forma sequencial Mas há um caso especial: as instruções de desvio Próxima instrução pode estar em alguma posição diferente Diego Passos (UFF) Ciclo de Execução; Intro ao Pipeline FAC 36 / 42

38 Pipeline e Desvios (II) Suponha que uma instrução de desvio chegue ao último estágio do pipeline Neste ponto, a CPU descobre que será realizado um desvio (ao invés da execução sequencial) O que fazer? Outras instruções já estão no pipeline Elas não deveriam ser executadas Solução: flush do pipeline Esvaziamos o pipeline, não permitindo a conclusão das demais instruções Recomeçamos com o pipeline vazio a partir do endereço do desvio Diego Passos (UFF) Ciclo de Execução; Intro ao Pipeline FAC 37 / 42

39 Pipeline e Desvios (III) S1: S2: S3: S4: S5: Tempo Flush Diego Passos (UFF) Ciclo de Execução; Intro ao Pipeline FAC 38 / 42

40 Pipeline e Desvios (IV) O flush em um pipeline impede que executemos instruções erradas Mas desempenho é prejudicado Enfrentamos novamente o custo inicial de encher o pipeline Lembre-se: há dois tipos de desvios diferentes Desvios condicionais Desvios incondicionais No caso de desvios incondicionais, podemos amenizar o problema: Se conseguirmos detectar o desvio cedo, precisamos descartar apenas um subconjunto das instruções já executadas O pipeline ainda ficará meio cheio Diego Passos (UFF) Ciclo de Execução; Intro ao Pipeline FAC 39 / 42

41 Pipeline e Desvios (V) Mas e para desvios condicionais? Se soubéssemos cedo o resultado da condição, poderíamos usar a mesma estratégia dos desvios incondicionais Mas isso geralmente não é possível Desvios condicionais são mais complexos Precisam chegar a estágios finais do pipeline para sabermos seu resultado Não há solução, então? Diego Passos (UFF) Ciclo de Execução; Intro ao Pipeline FAC 40 / 42

42 Predição de Desvios Processadores modernos geralmente possuem um branch predictor Preditor de desvios Tenta advinhar o resultado de uma instrução de desvio condicional Baseado em histórico Quando CPU decta (cedo) a execução de uma instrução de desvio condicional: Preditor prevê se desvio ocorrerá ou não Se preditor diz que desvio não ocorrerá, próxima instrução é colocada no pipeline Caso contrário, instrução do endereço de destino é utilizada Se o preditor acerta, pipeline continua cheio Se o preditor erra, temos que fazer um flush E pagar a penalidade de desempenho Diego Passos (UFF) Ciclo de Execução; Intro ao Pipeline FAC 41 / 42

43 Exercício Suponha um processador com pipeline de 5 estágios Em instruções de desvio condicional, o preditor sempre prevê que o salto não ocorrerá Assuma que ao final do quarto estágio a CPU é capaz de determinar o resultado de instruções de desvio condicional Caso o desvio seja tomado, é preciso dar um flush nas três instruções nos estágios anteriores Caso contrário, o pipeline continua cheio Determine o número médio de instruções executadas por ciclo de clock considerando: 20% das instruções são de desvio condicional 30% destes desvios ocorrem Não há nenhuma outra fonte de ineficiência do pipeline Diego Passos (UFF) Ciclo de Execução; Intro ao Pipeline FAC 42 / 42

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