Breve introdução aos pipelines de processadores RISC -- Primeiros passos

AbordagemUnidades em um processador antigo

Pipeline tambm conhecido por linha de montagemClculos em uma pipeline ideal

Problemas no mundo real

Breve introduo aos pipelines deprocessadores RISC

Primeiros passos

H. G. Fernandes1

1Curso de Sistemas de InformaoFaculdade Sumar

Disciplina de Arquitetura de Computadores, 2014

H. G. Fernandes Hierarquia de armazenamento




Outline

1 AbordagemPutting it all togetherA importncia da repetio

2 Unidades em um processador antigo

3 Pipeline tambm conhecido por linha de montagemUma linha de montagem na indstria automobilsticaTranspondo o exemplo para processadores

4 Clculos em uma pipeline ideal

5 Problemas no mundo real





Putting it all togetherA importncia da repetio

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Livros americanos tm abordagem aparentementecotica:

Listam cada vez mais informaes. . .. . . aparentemente sem ordem alguma.

Mas a surge a seo Putting it all together.Ou Juntando as coisas, ou Juntando tudo.






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Alguns conceitos so muito abstratos ou profundosQualquer ser humano normal vai demorar paraentend-los.

Alguns conceitos so interrelacionadosEm um primeiro momento, conseguimos ver apenas partedas relaes.

Portanto, hoje em dia normal aprender e aprender denovo.

Estamos nos tempos da educao continuada.Principalmente na rea de informtica, nunca paramos deaprender.





Passos para a execuo de uma instruo demquina

Em um processador simplificado, mas no muito diferente dosmais modernos:

Primeiramente, a instruo trazida da memria, noestgio Fetch, representado por Ftc;Depois, ela decodificada, no estgio Decode,representado por Dec;Finalmente, ela executada, no estgio Execute,representado por Exe.





Algumas contas simples para

Suponhamos que cada estgio tome, normalmente, umciclo de mquina;Sendo assim, uma instruo, chamada 1 toma no mnimotrs ciclos de mquina, representados na tabela abaixo.

Tempo T1 T2 T3Estgio Ftc Dec Exe

Instruo 1 1 1





Considerando 3 instrues mnimas

Suponhamos trs instrues que mesmo sendo diferentes,tomem tambm um mnimo trs ciclos de mquina,representadas na tabela abaixo.

Tempo T1 T2 T3 T4 T5 T6 T4 T5 T9Estgio Ftc Dec Exe Ftc Dec Exe Ftc Dec Exe

Instruo 1 1 1 2 2 2 3 3 3

Naturalmente, estas 3 instrues tomaro um total de 9 ciclosde mquina.E cada unidade ficar ociosa a maior parte do tempo, nestecaso aguardando 2 ciclos de mquina para receber novainstruo para processar.





Uma linha de montagem na indstria automobilsticaTranspondo o exemplo para processadores

Para agilizar o processamento, projetistas pensaramem linha de montagem

Em uma liha de montagem, h unidades distintas,anlogas quelas de Fetch, Decode e Execute.Mas a diferena que elas podem trabalharsimultaneamente, em paralelo.Um objeto comea a ser processado na primeira unidade;quando esta termina, passa-o para a segunda.Ento a primeira pode apanhar um segundo objeto,enquanto a segunda unidade trabalha no primeiro.Assim, objetos diferentes, em diferentes estgios, sotratados simultaneamente.






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Viso simplista de produo de veculos naVolkswagen

As fbricas de carros so os exemplos mais intuitivos douso de linhas de montagem.

Em ingls, o nome literalmente assembly line.

Um professor de arquitetura de computadores resumia-asdizendo que, em uma linha de montagem, um Fuscacontinuava a levar 48 h para ficar pronto.Mas que usando a linha de montagem, a fbrica era capazde entregar um Fusca a cada 48 minutos.Foi essa produtividade adicional que atraiu os projetistasde processadores, para usar o mesmo conceito naspipelines.






Viso simplista de produo de veculos naVolkswagen (cont.)

Uma ideia simplstica seria que, na primeira unidade dalinha de montagem, chega um chassis de um Golf, queento recebe os eixos;Vai ento para a unidade seguinte, onde receber asrodas; depois para a unidade onde montada acarroceria.E assim por diante, at que o Golf seja terminado defabricar.






Viso simplista de produo de veculos naVolkswagen (cont.)

Assim que o Golf deixou a primeira unidade da linha demontagem, pode vir ento o prximo veculo digamosum Voyage;Quando ele terminar de receber as rodas e for para aunidade onde montada a carroceria, entrar em seulugar, digamos uma Saveiro.E cada novo veculo seguido por um outro do mesmomodelo ou no.O importante que cada unidade da linha de montagempermanece ocupada todo o tempo, o que maximiza aprodutividade.






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Adaptao das linhas de montagem a um processador

A analogia simples: basta garantir que as unidades doprocessador sejam similares s unidades da linha demontagem.Contudo, importante garantir que no haja nenhumvnculo entre o trabalho de uma unidade e aquele dasseguintes.De modo a que uma instruo possa ser livrementetransportada para a prxima unidade, liberando a anterior.





Reconsiderando 3 instrues mnimas

Usando pipeline, o exemplo anterior, com 3 instruesficaria como a seguir:

Tempo T1 T2 T3 T4 T5Estgio Ftc Dec Exe

Instruo 1 1 1Estgio Ftc Dec Exe


Instruo 3 3 3

Um ponto notvel que agora as instrues puderam serexecutadas em 5 ciclos, em vez dos 9 anteriores.





Considerando 4 instrues mnimas

Caso fossem 4 instrues:Tempo T1 T2 T3 T4 T5 T6Estgio Ftc Dec Exe




Instruo 3 3 3

interessante comentar que, se as 4 instrues noestivessem em um pipeline, seu processamento tomaria12 ciclos. E agora ocuparam apenas 6 ciclos.





Generalizando o tempo no pipeline para qualquernmero de instrues mnimas

Um exame breve das tabelas de 3 e 4 instrues mnimasmostra que cada nova instruo mnima acrescentaapenas um ciclo ao tempo total;No difcil concluir que a frmula para o tempo nestascondies P(n) = 2 + nT ,onde n o nmero de instrues mnimas e T o tempode ciclo.

De fato, relendo as tabelas anteriores, temos realmenteque P(3) = 5T e P(4) = 6T .





Calculando o ganho no pipeline para qualquer nmerode instrues mnimas

Caso no houvesse pipeline, fcil ver que o tempo N(n) a multiplicao do tempo total de uma instruo pelonmero de instrues.Isto : N(n) = 3nT .Isto permite calcular o ganho G(n), que , neste casoG(n) = N(n)P(n) =

3nT2+nT .

Para um nmero muito grande de instrues G(n) 3.





Razes para o uso de pipelines

Estas contas simples ajudam a explicar porque todoprocessador moderno tem pipeline: um processador compipeline pode ter um ganho proporcional ao nmero deestgios.

Em nosso caso, com 3 estgios o ganho se aproxima de 3,para nmero muito grande instrues.

Isto tambm explica porque os processadores modernosvo tendo um nmero cada vez maior de estgios depipeline, subdividindo as tarefas realizadas pelas unidadesmais tradicionais.

Para esse ganho se efetivar, tambm diminudo o tempode um ciclo do processador.Em outras palavras, aumenta-se seu clock.





O que limita os ganhos das pipelines no mundo real

Infelizmente, no mundo real os ganhos no so tograndes.

H instrues que tomam mais tempo do que as instruesmnimas;Por exemplo, operaes matemticas, em ponto flutuanteou no, tendem a ser assim.Alm delas, tambm so mais demoradas as instruesque fazem acesso memria, como carga (load) damemria e armazenamento (ou store) nela.





Calculando o tamanho dos estragos

Vamos retomar o exemplo do pipeline com trs instruesmnimas.Suponhamos que a primeira delas, por acessar memria, demande dois ciclos em sua execuo.Neste caso, a unidade de execuo no estarimediatamente disponvel para a instruo 2.

Tempo T1 T2 T3 T4 T5 T6Estgio Ftc Dec Exe Exe

Instruo 1 1 1 1Estgio Ftc Dec Exe

Instruo 2 2 2 2Estgio Ftc Dec - Exe

Instruo 3 3 3 3





Calculando o tamanho dos estragos

O sinal indica um perodo de inatividade.Conforme se v na tabela,


AbordagemPutting it all togetherA importncia da repetio

Unidades em um processador antigoPipeline tambm conhecido por linha de montagemUma linha de montagem na indstria automobilsticaTranspondo o exemplo para processadores

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