Capítulo 6 Pipeline Morgan Kaufmann Publishers

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1 Capítulo 6 Pipeline 998 organ Kaufmann Publishers

2 Pipeline: analogia com linha de produção tempo carro Chassi ec Carroc. Pint. Acab. carro2 Chassi ec Carroc. Pint. Acab. carro3 Chassi ec Carroc. Pint. Acab. Tempo de fabricação de um carro: C++C+P+A Taxa de produção (carros/h): medido na saída Throughput (vazão): depende do número de estágios e do balanceamento Objetivo do pipeline: distribuir e balancear o tempo em cada estágio otimizar o uso de HW dos estágios (taxa de ocupação) resumo: aumentar a velocidade e diminuir o hardware 998 organ Kaufmann Publishers

3 Pipelines elhorar o desempenho através do aumento do throughput Program execution order Time (in instructions) lw $, ($) lw $2, 2($) lw $3, 3($) fetch ns access fetch 8 ns access fetch... 8 ns Program execution Time order (in instructions) lw $, ($) lw $2, 2($) lw $3, 3($) fetch 2 ns fetch 2 ns fetch access access access 2 ns 2 ns 2 ns 2 ns 2 ns tempo de execução de uma instrução: 8 ns e 9 ns (com ou sem pipe) throughput: instr / 8ns (sem pipeline) ou instr / 2 ns (com) # de estágios = 5; ganho de :; 998 organ Kaufmann Publishers

4 Pipeline O que o torna factível? Todas as instruções são do mesmo tamanho Poucos formatos de instruções Operandos de memória aparecem apenas em loads e stores O que o torna difícil Hazards estruturais: recursos compartilhados (Ex: memória) Hazards de controle: Preocupação com instruções de saltos Hazards de dados: uma instrução depende dos ados gerados pela instrução anterior Nosso foco: um pipeline simples abordando essas questões! Posteriormente (ou durante essa parte do curso..) Tratamento de exceções... Execução in order, fora de ordem, etc. 998 organ Kaufmann Publishers

5 Pipeline: Idéia básica IF : fetch ID: decode / file read E: Execute/ address calculation E : em ory access : back isters O que é necessário para dividir a via de dados em estágios de execução? 998 organ Kaufmann Publishers

6 Uma representação para o pipeline Program execution order (in instructions) Time (in clock cycles) CC CC 2 CC 3 CC CC 5 CC 6 CC 7 lw $, ($) I D lw $2, 2($) I D lw $3, 3($) I D Hachurado representa atividade Representação alternativa: imaginando que cada instrução tenha a sua própria via de dados Outra representação: foto no tempo (snapshot) 998 organ Kaufmann Publishers

7 Via de dados com pipeline ID/E E/E E/ isters O que é produzido em cada estágio é armazenado em um registrador de pipeline para uso pelo próximo estágio Problemas com o endereço do registrador de escrita?? Caminhando para esquerda? 998 organ Kaufmann Publishers

8 Via de dados corrigida ID/E E/E E/ isters W r ite 2 reg is ter 6 32 W rite 998 organ Kaufmann Publishers

9 lw $, 2($) fetch Exemplo com sub e lw () ID/E E/E E/ isters u x u x Clock sub $, $2, $3 fetch lw $, 2($) decode ID/E E/E E/ isters Clock 2

10 sub $, $2, $3 decode lw $, 2($) Execution Exemplo com sub e lw (2) u x ID/E E/E E/ isters 2 u x 6 32 Clock 3 sub $, $2, $3 Execution lw $, 2($) emory ID/E E/E E/ isters Clock

11 u x sub $, $2, $3 emory lw $, 2($) back ID/E E/E E/ Exemplo com sub e lw (3) isters Clock 5 sub $, $2, $3 back ID/E E/E E/ isters Clock 6

12 Representando pipelines graficamente Time (in clock cycles) Program execution order (in instructions) lw $, 2($) CC CC 2 CC 3 CC CC 5 CC 6 I D sub $, $2, $3 I D Essa representação pode ajudar a responder questões como: Quantos ciclos são necessários para executar esse código? O que a ULA está fazendo no ciclo? Use essa representação para entender melhor como o pipeline funciona 998 organ Kaufmann Publishers

13 Controle do pipeline Src ID/E E/E E/ Branch isters 2 [5 ] [2 6] [5 ] 6 32 Src 6 control Op em em emto Dst campo function é usado para controle da (E) sinais de controle: os mesmos do capítulo 5, ciclo único e registradores de pipeline escritos em todos ciclos: não é necessário controle 998 organ Kaufmann Publishers

14 Controle do pipeline O que necessita ser controlado em cada estágio? Busca da instrução e incremento do Decodificação da instrução / Leitura do registrador Execução Leitura/Escrita da memória Escrita no registrador Como o controle seria manipulado em um projeto de automóvel Controle central indicando o que cada parte deve fazer? 998 organ Kaufmann Publishers

15 Controle do pipeline Os sinais de controle passam pelo pipeline assim como os dados Execution/ Calculation stage control lines emory access stage control lines back stage control lines Dst Op Op Src Branch em em write em to R format lw sw beq Control E ID/E E/E E/ 998 organ Kaufmann Publishers

16 Controle na via de dados Src Control ID/E E/E E/ E isters 2 Src Branch em emto [5 ] [2 6] [5 ] control Dst Op em 998 organ Kaufmann Publishers

17 Exemplo (pag. 7) lw $, 2($) sub $, $2, $3 and $2, $, $5 or $3, $6, $7 add $, $8, $9 IF : lw $, 2 ($ ) C lo c k IF : sub $, $2, $3 ID : before<> E: before<2> E : before<3> W B : before<> isters 2 [5 ] [2 6] [5 ] ID/E Control E Dst control Src Op E/E Branch em E/ ID : lw $, 2($ ) E : b efore <> E : be fore< 2 > W B : befo re < 3> em emto lw Control ID/E E E/E E/ C lo c k 2 2 $ isters $ 2 [5 ] [2 6] [5 ] 2 Dst control Src Op Branch em em emto 998 organ Kaufmann Publishers

18 Exemplo (pag. 7) lw $, 2($) sub $, $2, $3 and $2, $, $5 or $3, $6, $7 add $, $8, $9 IF : an d $2, $, $ 5 C lo c k 3 IF : or $ 3, $6, $ 7 ID : sub $, $ 2, $3 E : lw $,... E : b efo re< > W B : be fo re< 2 > sub 2 3 $2 isters $3 2 [5 ] [2 6] [5 ] ID/E Control E $ 2 Dst control Src Op E/E Branch em E/ ID : a nd $ 2, $, $ 5 E : sub $,... E : lw $,... W B : be fo re< > em emto and Control ID/E E E/E E/ C lo c k 5 2 $ $2 isters $5 $3 2 [5 ] [2 6] [5 ] 2 Dst control Src Op Branch em em emto 998 organ Kaufmann Publishers

19 Exemplo (pag. 7) lw $, 2($) sub $, $2, $3 and $2, $, $5 or $3, $6, $7 add $, $8, $9 IF : ad d $, $ 8, $ 9 IF : after<> C l o c k 5 ID : o r $ 3, $6, $7 E : a nd $2,... E : sub $,... W B : lw $,... or $6 isters $7 2 [5 ] [2 6] [5 ] ID/E Control E 3 $ $5 2 Dst control Src Op E/E Branch em E/ ID : a dd $, $8, $ 9 E : o r $ 3,... E : an d $2,... W B : su b $,... em emto add Control ID/E E E/E E/ C l o c k $8 isters $9 2 [5 ] [2 6] [5 ] $6 $7 3 Dst control Src Op 2 Branch em em emto 998 organ Kaufmann Publishers

20 Exemplo (pag. 7) IF : afte r<2> ID : a fte r< > E : a dd $,... E : or $3,... W B: and $ 2,... ID/E E/E E/ Control E lw $, 2($) sub $, $2, $3 and $2, $, $5 or $3, $6, $7 add $, $8, $9 IF : afte r<3> C lo c k 7 2 [5 ] [2 6] [5 ] isters 2 $8 $9 Dst control Src Op Branch em ID : a fte r< 2 > E : a fter< > E : ad d $,... W B: or $ 3,... em 3 2 emto Control ID/E E E/E E/ C lo c k 8 3 isters 2 [5 ] [2 6] [5 ] Dst control Src Op Branch em em emto organ Kaufmann Publishers