Unidade Central de Processamento 6

Otimizao do desempenho

Pipeline

Tcnica de implementao de processadores que permite a sobreposio temporal das diversas fases de execuo das instrues

Constitudo por seqncia de estgios operando em paralelo

Funciona de modo semelhante a uma linha de montagem

Seu uso visa a melhora no desempenho do processador

Exemplo

Suponha que existe uma lavanderia, que divide seu processo de trabalhos em 3 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 30 minutos:

Exemplo 1

Lavanderia

19:00 18:3018:00 17:3017:00 16:30 16:0015:30 15:00

Paulo

Joo

Maria

Tempo (marcando o inicio de cada etapa)Cliente

Exemplo 2

Lavanderia com processo otimizado

90 min

90 min

90 min

Total17:0016:30

Paulo

Joo

Maria

16:0015:3015:00Cliente

Caractersticas do Pipeline

Aumenta o nmero de instrues executadas simultaneamente

Aumenta taxa de instrues iniciadas e terminadas por unidade de tempo

Melhora o desempenho do processo (throughput)

No reduz o tempo gasto para completar cada instruo individualmente.

Ciclo de instruo

Ciclo completoBusca da instruo

Execuo da

instruoInterpretao da instruo

Calculo de

endereo do

operando

Busca de operando

Armazenamento do operando

Clculo do endereo

da instruo

Calculo de

endereo do

operando

Verifica ocorrncia

de interrupo

Interrupo

Pipeline do ciclo de instruo

Suponha que o ciclo pudesse ser resumido dos seguintes estgios: Busca de Instruo (BI) Decodificao da Instruo (DI) Clculo de (endereo) Operandos (CO) Busca de Operandos (BO) Execuo da Instruo (EI) Armazenamento de Operandos (AO)

Pipeline do ciclo

Exemplo 3

AOEIBOCODIBI4

987654321

AOEI

AO

BO

EI

AO

CO

BO

EI

DI

CO

BO

BI3

DIBI2

CODIBI1

Instante de TempoInstruo

Caractersticas do Pipeline

Deve-se procurar dividir a execuo da instruo em estgios com o mesmo Tempo

Contudo alguns estgios so mais lentos: O estagio execuo geralmente mais lento que o

de busca Quando os estgios no tem o mesmo tempo:

Algumas instrues podem ter o seu tempo aumentado

Isso ocorre pois elas atravessam estgios em que no realizam nenhuma operao til

Pipeline do ciclo

Exemplo 4

BO

BO

BI

BO

BO

BI

BI

BI

AOEICODI4

987654321

AOEI

AOEI

AO

CO

EI

DI

CO

3

DI2

CODI1

Instante de TempoInstruo

Pipeline do ciclo

Exemplo 5

AOBOCOBI

BODI

EICOBI

BO

AO

CO

EIDI

EIDI4

987654321

AOEI

AO

BO

BI

3

DI2

COBI1

Instante de TempoInstruo

Conflitos

Situaes que impedem a prxima instruo dentro de uma fila de ser executada no ciclo esperado

Os Conflitos reduzem o tempo de ganho obtido pelo pipelining

Existem trs classes de conflitos: Estrutural de Dados de Controle

Conflitos Estruturais

Oriundos de um hardware que no suporta a sobreposio simultnea de todas as etapas de instrues

No exemplo da lavanderia seria o equivalente a implementar um pipeline onde s existisse uma tomada para a mquina de lavar e para a mquina de secar.

Conflitos de Dados

Ocorrem quando uma instruo para ser executada depende dos resultados gerados por alguma instruo anterior que ainda no foi completada

No exemplo da lavanderia seria um caso em que a secadora demorou demais para secar uma roupa e j tem a roupa lavada de outro cliente na fila para secar.

Conflito de Controle

Ocorrem quando uma instruo de salto condicional (branch) entra no pipelineprovocando o cancelamento de instrues subsequentes que tambm entraram no pipeline.

Pipeline do ciclo c/ desvio

Exemplo 6

CODIBI5

BO

BO

BI

BO

BI

BI

BI

CODI4

987654321

AOEI

AO

CO

EI

DI

CO

3

DI2 (salto p/ 5)

CODI1

Instante de TempoInstruo

Pipeline do ciclo c/ desvio

Exemplo 6 (continuao)

BO

BO AOEI

5 (salto p/3)

EI

AOEI4

181716151413121110

AO3

2 (salto p/ 5)

1

Instante de TempoInstruo

Pipeline do ciclo c/ desvio

Exemplo 7

BO

BO AOEI

5 (salto p/3)

EI

EI AO4

181716151413121110

AO3

2 (salto p/ 5)

1

Instante de TempoInstruo

Solucionando conflitos

Uma forma de solucionar os conlfitos inserindo no pipeline uma "bolha" que simplesmente atrasa o processamento at que o recurso que esteja causando o conflito esteja disponvel

Chamamos este processo de stall.

Pipeline do ciclo c/ desvio

Exemplo 8

CODIBI5

BO

BO

BI

BO

BI

BI

BI

CODI4

987654321

AOEI

AO

CO

EI

DI

CO

3

DI2 (salto p/ 5)

CODI1

Instante de TempoInstruo

Stall

Medidas de desempenho

O tempo gasto no processamento de N instrues em um pipeline com K estgios e ciclo de mquina igual a C dado por: T = [ K + (N 1 )] * C

Sem pipeline: T = [ K * (N)] * C

Exemplo 9

Se um programa tem 4 instrues. Quanto tempo leva para ser executado em um processador com pipeline de 6 estgios e relgio de 1 ut? T= (6 + (4 -1))*1 = 9 ut (unidades de tempo)

Sem Pipeline ? T= (6 * (4 ))*1 = 24 ut

Exemplo 9

Ilustrao do exemplo 9

AOEIBOCODIBI4

987654321

AOEI

AO

BO

EI

AO

CO

BO

EI

DI

CO

BO

BI3

DIBI2

CODIBI1

Instante de TempoInstruo

Exemplo 10

Se um programa tem 10.001 instrues. Quanto tempo leva para ser executado em um processador com pipeline de 5 estgios e relgio de 100 ns? T= (5 + (10.000))*100x10-9 =~ 1 ms =~ 1*10-3

Sem Pipeline ? T= (5 * (10.001))*100x10-9 =~ 5 ms

Medidas de Desempenho

Speadup Mede o ganho de velocidade ao se usar pipeline em

comparao a no usar Su = Ts/Tp = n*k*C/(k +(n-1))*C = (n*k)/k +(n-1) Exemplo:

Utilizando os valores do exemplo 9 Su = 24/9 = 2,6