Microcontrolador FemtoJava Pipeline (Low Power)

Transcrição

1 Microcontrolador FemtoJava Pipeline (Low Power) UFRGS Programa de Pós graduação em Computação CMP 237 Arquitetura e Organização de Processadores Prof. Dr. Flávio Rech Wagner Aluno: Paulo Roberto Miranda Meirelles prmmeirelles@inf.ufrgs.br 1/46

2 FemtoJava: Características Gerais 2/46 Unidade de processamento baseada em arquitetura de pilha Memórias RAM e ROM integradas Portas de entrada e saída mapeadas em memória Mecanismo de tratamento de interrupções com dois níveis de prioridade

3 FemtoJava: Características Gerais Implementa um subconjunto de instruções da JVM Consistente com a especificação da JVM Registradores para armazenar elementos da pilha ganho de desempenho redução na área ocupada em FPGA processamento realizado simultaneamente aos acessos à memória 3/46 FPGA como o componente alvo para síntese

4 FemtoJava: Características Gerais Aplicação com uma única thread Carga dinâmica de classes Substituida por ferramentas que resolvem as referências contidas no código em tempo de projeto Execução de bytecodes em hardware 4/46 identificam todas as classes da aplicação armazena na memória de programa + bibliotecas Hw partes da memória da MVJ não são utilizadas restando apenas a área de métodos (memória de programa) e uma única pilha Java para execução da aplicação instruções adicionais para realização de funções não definidas pela especificação da JVM

5 FemtoJava Multiciclo Barramentos Barramentos por multiplexadores: FPGA Não compartilhamento de uma única unidade operativa 5/46 Nº de 4 > arquitetura Harvard distintos: acesso e endereçamento das memórias de programa e dados implementação: buffers tri state custos: somadores e multiplexadores Tamanho dos barramentos parametrizável

6 FemtoJava Multiciclo: Microarquitetura 6/46

7 Diagrama do FemtoJava Multiciclo 7/46

8 FemtoJava: Memória Fisicamente distintas e utilizam espaços de endereçamento separados Configurável com a aplicação 8/46 Capacidade Lagura das palavras da memória de dados Entras e saidas não registradas Memória Interna ao FPGA

9 FemtoJava: Memória de Programa 9/46

10 FemtoJava: Memória de Dados 10/46

11 FemtoJava: Sistema de Interrupção JVM não define mecanismos para manipular interrupções Incluído em um microcontrolador 11/46 isenta de decisão de implementação + portas de E/S = interface entre o microcontrolador e outros dispositivos do sistema

12 FemtoJava: Sistema de Interrupção 12/46

13 FemtoJava: Sistema de E/S 4 portas E e 4 portas S mapeadas em memória FPGAs permite a incorporação de outros componentes ao mesmo chip arbitrador do barramento é responsável por gerenciar escritas e leituras 13/46 parte da comunicação restrita ao FPGA considerando o endereço contido no barramento para determinar a porta sobre a qual o microcontrolador deve operar

14 FemtoJava: Sistema de E/S Escrita e leitura de dados são realizadas mediante a utilização das instruções store_idx e load_idx implementados como complementos ao conjunto de instruções Java suportados 14/46 não havendo instruções específicas de E/S dados armazenados na pilha juntamente com o endereço da porta correspondente

15 FemtoJava: Sistema de temporizadores 2 temporizadores programados como contadores de eventos externos ou contadores de pulsos de relógio registradores mapeados em memória 15/46 permitindo que sua programação e ativação sejam realizadas através da escrita da palavra de controle adequada no endereço correspondente

16 FemtoJava: Sistema de tempo real +clock de tempo real, composto de três inteiros de 32 bits opcodes getfield e putfield 16/46 dias passados desde 01/01/1970 milissegundos passados desde o instante 00:00:00 do dia nanossegundos do milissegundo permitir o acesso aos atributos do objeto suporte a invokevirtual e invokespecial alocação do frame para todos os objetos modelados como tarefas de tempo real

17 FemtoJava Pipeline Uso da técnica de forwarding acessos para escrita no banco de registradores localiza se a pilha podem ser reduzidos em média de 70% em aplicações típicas de sistemas embarcados 17/46 ser baseado em uma máquina de pilha Implementação da pilha de operandos e do repositório de variáveis locais do método em um banco de registradores, ao invés da memória de dados

18 FemtoJava Pipeline: Estágios 18/46

19 FemtoJava Pipeline Estágio 1: Busca de instruções 19/46 Busca instruções na memória através de palavras de 32 bits fila de instruções com 9 registradores de um byte cada um registrador para indicar a seqüência de instruções a ser buscada na memória (IMAR) um somador para endereçar o próximo conjunto de instruções a ser buscados na seqüência

20 FemtoJava Pipeline Estágio 1: Busca de instruções 20/46 Antecipada de bytecodes, evitando que o pipeline fique parado na busca de instruções A primeira instrução da fila é enviada para o segundo estágio

21 FemtoJava Pipeline Estágio 1: Busca de instruções 21/46

22 FemtoJava Pipeline Estágio 2: Decodificação gerar a palavra de controle para a instrução corrente informar o tamanho dessa instrução para a fila de instruções analisar a dependência de dados das instruções fazer a análise de forwarding 22/46 evita a inserção de bolhas no pipeline no caso de dependência de dados do tipo RAW (Read After Write)

23 FemtoJava Pipeline Estágio 2: Decodificação 23/46

24 FemtoJava Pipeline Estágio 3: Busca de Operandos operandos são buscados para a execução 1 banco de registradores Número de registradores é configurável 24/46 2 leituras independentes ou 1 escrita a cada ciclo de relógio Largura do banco é a mesma largura de dados do processador projeto do sistema, no ambiente SASHIMI

25 FemtoJava Pipeline Estágio 3: Busca de Operandos 25/46

26 FemtoJava Pipeline Estágio 4: Execução 1 ULA 1 multiplicador (MULT) 1 deslocador (Shifter) 1unidade de load/store (LD/ST) cálculo de endereços 1 unidade de desvio (Branch) verifica se um desvio deve ou não ocorrer Não há predição de desvio 26/46 Unidades Funcionais todos são previamente considerados como verdadeiros

27 FemtoJava Pipeline Estágio 4: Execução 27/46

28 FemtoJava Pipeline Estágio 5:Gravação dos resultados Resultado do estágio de execução é escrito no banco de registradores Banco de registradores: 28/46 usando SP ou VARS como base exceto no caso de forwarding não pode ser lido e escrito simultaneamente (FPGA) no quinto estágio grava o seu resultado e uma outra instrução no terceiro estágio precisa buscar algum operando, uma bolha é inserida no pipeline

29 FemtoJava Pipeline Estágio 5:Gravação dos resultados 29/46

30 FemtoJava Pipeline: Forwarding Dependência verdadeira (RAW read after write) instrução no estágio de execução próxima instrução do fluxo precisa acessar o banco de registradores 30/46 escrever o seu resultado no banco de registradores no próximo ciclo buscar algum operando que faça parte do resultado da instrução anterior

31 FemtoJava Pipeline: Forwarding Estágio de busca de operandos: necessita de um operando do topo da pilha a instrução istore Consome dois operandos da pilha 31/46 grava o topo da pilha em algum lugar do depósito de variáveis locais em operações aritméticas: iadd, isub...

32 FemtoJava Pipeline: Forwarding 32/46

33 FemtoJava Pipeline: Forwarding traz uma vantagem quando comparada com processadores RISC em instruções que manipulam a pilha a maioria dos operandos repassados através de forwarding para estágios anteriores do pipeline não são usados mais no futuro não há necessidade de gravar o resultado destas instruções no banco de registradores 33/46 resulta em uma grande redução no consumo de potência, porque o número de escritas na pilha é reduzido

34 Diagrama do FemtoJava Pipeline 34/46

35 Alguns Resultados de Implementação e Performance... 35/46

36 Área ocupada na implementação VHDL 36/46

37 Diferença de área e freqüência na forma de implementar o banco de registradores 37/46

38 Desempenho em número de ciclos dos diferentes algoritmos 38/46

39 Energia consumida por ciclo 39/46

40 Energia gasta devido aos acessos à memória principal 40/46

41 Energia gasta no núcleo nas arquiteturas por cada algoritmo 41/46

42 Energia total gasta por cada algoritmo 42/46

43 Conclusão consumir mais potência por ciclo energia total gasta pelo sistema para executar cada algoritmo é menor ocorre um aumento de freqüência 43/46 o maior throughput alcançado diminuição de acessos à memória principal processamento de cada instrução está dividido em estágios menores e mais equilibrados

44 Referências 44/46 BECK, Antonio Carlos S. Uso da Técnica VLIW para Aumento de Performance e Redução do Consumo de Potência em Sistemas Embarcados Baseados em Java f. Dissertação de Mestrado (Programa de Pós Graduação em Ciência da Computação) UFRGS, Porto Alegre, maio de 2004.

45 Referências 45/46 Sashimi Manual do usuário: Versão 0.9. UFRGS, Janeiro de MORAES, Marcelo de Souza. STEP: Planejamento, Geração e Seleção de Auto Teste On Line para Processadores Embarcados f. Dissertação de Mestrado (Programa de Pós Graduação em Ciência da Computação) UFRGS, Porto Alegre, 2006.

46 Referências 46/46 ITO, S. A.; CARRO, L.; JACOBI, R. P. Making Java Work for Microcontroller Applications. IEEE Design & Test of Computers, [S.l.], v.18, n.5, p , Sep./Oct VENNERS, B. Inside the Java Virtual Machine. New York, USA: McGraw Hill, 1998.