Para os problemas seguintes considere os 5 andares de pipelining do MIPS:
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- David Osório Ribas
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1 A. Pipelining Para os problemas seguintes considere os 5 andares de pipelining do MIPS: ETCH () ID (I) EXEC (E) MEM (M) WR (W) Para resolução dos problemas utilize a tabela em anexo, na qual deve indicar para a ordem de execução das instruções em cada programa a execução dos andares de pipelining em cada ciclo de relógio. Problema 1. Considere a seguinte sequência de instruções MIPS não optimizada correspondente ao segmento de código C apresentado: Código C temp = a[j]; a[j] = a[j-1]; a[j-1] = temp; Código Assembly do MIPS R3000 $t1, $t0, $t0 # $t1 = 2*j $t1, $t1, $t1 # $t1 = 4*j $t2, $t1, $a0 # $t2 = Baseress(a)+4*j Lw $t3, 0($t2) # $t3 = a[j] i $t4, $t0, -1 # $t4 = j-1 $t4, $t4, $t4 # $t4 = 2*(j-1) $t4, $t4, $t4 # $t4 = 4*(j-1) $t4, $t4, $a0 # $t2 = Baseress(a)+4*(j-1) Lw $t5, 0($t4) # $t5 = a[j-1] Sw $t5, 0($t2) # a[j] = $t5 Sw $t3, 0($t4) # a[j-1] = $t3 (a) Quantos ciclos são necessários para executar o programa supondo um processador em que todas as instruções requerem 5 passos mas sem suporte a pipelining? (b) Quantos ciclos seriam necessários para executar o programa supondo um processador em que as instruções requerem passos diferentes (utilize para cada instrução o número de passos apresentado nas aulas teóricas) mas sem suporte a pipelining? (c) Quantos ciclos são necessários para executar o programa num processador MIPS com 5 andares de pipelining e considerando que tem suporte hardware para fazer, sempre que existam hazards com dados? (d) Indique uma solução supondo que o processador não tinha qualquer tipo de suporte hardware para lidar com hazards. (e) Reordene as instruções de modo a reduzir o número de ciclos necessário para executar o segmento de programa. Quantos ciclos são agora necessários? (f) Quantos ciclos são necessários para executar o programa num processador MIPS com 5 andares de pipelining e considerando que tem suporte hardware para fazer e forwarding? 2
2 Problema 2. Considere a seguinte sequência de instruções MIPS correspondente ao segmento de código C apresentado: Código C Int a, b, c, max; max = b; If(a > b) max = a; c = max + max; Código Assembly do MIPS R3000 # max em $t0 # a em $t1 # b em $t2 # c em $t4 i $t0, $t1, 0 Slt $t3, $t1, $t2 Bne $t3, $0, end_if i $t0, $t2, 0 End_if: add $t4 $t0 $t0 (a) Quantos ciclos são necessários para executar o programa num processador MIPS com 5 andares de pipelining e considerando que tem suporte hardware para fazer, sempre que existam hazards com dados ou hazards de controlo? [considere que o processador tem suporte hardware para escoamento (flush) de instruções] (a.1) Com as instruções para fazer no início as atribuições: a=4 e b=2; (a.2) Com as instruções para fazer no início as atribuições: a=2 e b=4; 3
3 TABELA PARA REPRESENTAR OS ANDARES DE PIPELINING EXECUTADOS EM CADA CICLO DE RELÓGIO AO LONGO DA EXECUÇÃO DO PROGRAMA Exec
4 B. RESPOSTAS 1. (a) Resposta: 55 ciclos 1. (b) Resposta: 47 ciclos 1. (c) Resposta: 39 ciclos: Exec I E MW I E M W I E M W Lw I E M W i I E M W I E M W I E M W I E M W Lw I E M W Sw I E M W Sw I E M W 1. (d) Inserir as instruções NOP necessárias para resolver os hazards com dados: Código Assembly do MIPS R3000 com instruções para resolver hazards com dados $t1, $t0, $t0 # $t1 = 2*j $t1, $t1, $t1 # $t1 = 4*j 5
5 $t2, $t1, $a0 # $t2 = Baseress(a)+4*j Lw $t3, 0($t2) # $t3 = a[j] i $t4, $t0, -1 # $t4 = j-1 $t4, $t4, $t4 # $t4 = 2*(j-1) $t4, $t4, $t4 # $t4 = 4*(j-1) $t4, $t4, $a0 # $t2 = Baseress(a)+4*(j-1) Lw $t5, 0($t4) # $t5 = a[j-1] Sw $t5, 0($t2) # a[j] = $t5 Sw $t3, 0($t4) # a[j-1] = $t3 1. (e) Resposta: 26 ciclos. Código Assembly do MIPS R3000 reordenado $t1, $t0, $t0 # $t1 = 2*j i $t4, $t0, -1 # $t4 = j-1 $t1, $t1, $t1 # $t1 = 4*j $t4, $t4, $t4 # $t4 = 2*(j-1) $t2, $t1, $a0 # $t2 = Baseress(a)+4*j $t4, $t4, $t4 # $t4 = 4*(j-1) Lw $t3, 0($t2) # $t3 = a[j] $t4, $t4, $a0 # $t2 = Baseress(a)+4*(j-1) Lw $t5, 0($t4) # $t5 = a[j-1] Sw $t3, 0($t4) # a[j-1] = $t3 Sw $t5, 0($t2) # a[j] = $t5 Exec I E M W i I E M W I E M W I E M W add I E M W I E M W 6
6 Lw I E M W I E M W Lw I E M W Sw I E M W sw I E M W 1. (f) Considerando o programa assembly original (sem a reordenação): Exec I E M W I E M W I E M W lw I E M W add I E M W I E M W I E M W I E M W Lw I E M W Sw I E M W Sw I E M W Resposta: 16 ciclos de relógio. Podem ser conseguidos 15 ciclos de relógio se entre a instrução lw e a instrução sw o valor lido da memória de dados disponível no fim do andar M puder ser utilizado pelo andar M da instrução sw. 2. (a.1) Resposta: 19 ciclos (faz o corpo do if) Exec i I E M W i I E M W addi I E M W Slt I E M W Bne I E M W I E M W I E M W (a.2) Resposta: 17 ciclos (não faz o corpo do if) Exec i I E M W i I E M W 7
7 i I E M W Slt I E M W Beq I E M W lush add after bne lush second add after bne I E M W 1. Para simular ( deve introduzir o seguinte código na Applet Java: i $4 $0 10 i $8 $0 2 $9 $8 $8 $9 $9 $9 $10 $9 $4 Lw $11 0($10) i $12 $8-1 $12 $12 $12 $12 $12 $12 $12 $12 $4 Lw $13 0($12) Sw $13 0($10) Sw $11 0($12) 2. Para simular ( deve introduzir o seguinte código na Applet Java: # max em $t0 # a em $t1 # b em $t2 #Com a=2 e b=4 0: addi $9 $0 2 1: addi $10 $0 4 2: i $8 $9 0 3: Slt $11 $9 $10 4: Bne $11 $0 6 5: i $8 $10 0 6: add $12 $8 $8 #Com a=4 e b=2 0: addi $9 $0 4 1: addi $10 $0 2 2: i $8 $9 0 3: Slt $11 $9 $10 4: Bne $11 $0 6 5: i $8 $10 0 6: add $12 $8 $8 8
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