Unidade Central de Processamento 6. Otimização do desempenho

Transcrição

1 Unidade Central de Processamento 6 timização do desempenho

2 Pipeline Técnica de implementação de processadores que permite a sobreposição temporal das diversas fases de execução das instruções Constituído por seqüência de estágios operando em paralelo Funciona de modo semelhante a uma linha de montagem Seu uso visa a melhora no desempenho do processador

3 Exemplo Suponha que existe uma lavanderia, que divide seu processo de trabalhos em etapas: Colocar a roupa na maquina de lavar Depois de lavada colocar na secadora Depois de secada passar o ferro e dobrar Suponha que cada etapa possa ser realizada em 0 minutos:

4 Exemplo Lavanderia Cliente Tempo (marcando o inicio de cada etapa) 5:00 5:0 6:00 6:0 7:00 7:0 8:00 8:0 9:00 Maria João Paulo

5 Exemplo 2 Lavanderia com processo otimizado Cliente 5:00 5:0 6:00 6:0 7:00 Total Maria 90 min João 90 min Paulo 90 min

6 Características do Pipeline Aumenta o número de instruções executadas simultaneamente Aumenta taxa de instruções iniciadas e terminadas por unidade de tempo Melhora o desempenho do processo (throughput) Não reduz o tempo gasto para completar cada instrução individualmente.

7 Ciclo de instrução Ciclo completo usca da instrução usca de operando Armazenamento do operando nterpretação da instrução Calculo de endereço do operando Execução da instrução Calculo de endereço do operando Verifica ocorrência de interrupção Cálculo do endereço da instrução nterrupção

8 Pipeline do ciclo de instrução Suponha que o ciclo pudesse ser resumido dos seguintes estágios: usca de nstrução () Decodificação da nstrução () Cálculo de (endereço) perandos () usca de perandos () Execução da nstrução () Armazenamento de perandos ()

9 Pipeline do ciclo Exemplo nstrução nstante de Tempo

10 Características do Pipeline Deve-se procurar dividir a execução da instrução em estágios com o mesmo Tempo Contudo alguns estágios são mais lentos: estagio execução é geralmente mais lento que o de busca Quando os estágios não tem o mesmo tempo: Algumas instruções podem ter o seu tempo aumentado sso ocorre pois elas atravessam estágios em que não realizam nenhuma operação útil

11 Pipeline do ciclo Exemplo nstrução nstante de Tempo

12 Pipeline do ciclo Exemplo 5 nstrução nstante de Tempo

13 Conflitos Situações que impedem a próxima instrução dentro de uma fila de ser executada no ciclo esperado s Conflitos reduzem o tempo de ganho obtido pelo pipelining Existem três classes de conflitos: Estrutural de Dados de Controle

14 Conflitos Estruturais riundos de um hardware que não suporta a sobreposição simultânea de todas as etapas de instruções No exemplo da lavanderia seria o equivalente a implementar um pipeline onde só existisse uma tomada para a máquina de lavar e para a máquina de secar.

15 Conflitos de Dados correm quando uma instrução para ser executada depende dos resultados gerados por alguma instrução anterior que ainda não foi completada No exemplo da lavanderia seria um caso em que a secadora demorou demais para secar uma roupa e já tem a roupa lavada de outro cliente na fila para secar.

16 Conflito de Controle correm quando uma instrução de salto condicional (branch) entra no pipeline provocando o cancelamento de instruções subsequentes que também entraram no pipeline.

17 Pipeline do ciclo c/ desvio Exemplo 6 nstrução nstante de Tempo (salto p/ 5) 5

18 Pipeline do ciclo c/ desvio Exemplo 6 (continuação) nstrução nstante de Tempo (salto p/ 5) 5 (salto p/)

19 Pipeline do ciclo c/ desvio Exemplo 7 nstrução nstante de Tempo (salto p/ 5) 5 (salto p/)

20 Solucionando conflitos Uma forma de solucionar os conlfitos é inserindo no pipeline uma "bolha" que simplesmente atrasa o processamento até que o recurso que esteja causando o conflito esteja disponível Chamamos este processo de stall.

21 Pipeline do ciclo c/ desvio Exemplo 8 Stall nstrução nstante de Tempo (salto p/ 5) 5

22 Medidas de desempenho tempo gasto no processamento de N instruções em um pipeline com K estágios e ciclo de máquina igual a C é dado por: T = [ K + (N )] * C Sem pipeline: T = [ K * (N)] * C

23 Exemplo 9 Se um programa tem instruções. Quanto tempo leva para ser executado em um processador com pipeline de 6 estágios e relógio de ut? T= (6 + ( -))* = 9 ut (unidades de tempo) Sem Pipeline? T= (6 * ( ))* = 2 ut

24 Exemplo 9 lustração do exemplo 9 nstrução nstante de Tempo

25 Exemplo 0 Se um programa tem 0.00 instruções. Quanto tempo leva para ser executado em um processador com pipeline de 5 estágios e relógio de 00 ns? T= (5 + (0.000))*00x0-9 =~ ms =~ *0 - Sem Pipeline? T= (5 * (0.00))*00x0-9 =~ 5 ms

26 Medidas de Desempenho Speadup Mede o ganho de velocidade ao se usar pipeline em comparação a não usar Su = Ts/Tp = n*k*c/(k +(n-))*c = (n*k)/k +(n-) Exemplo: Utilizando os valores do exemplo 9 Su = 2/9 = 2,6