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Organização de Computadores Pipeline. Organização de Computadores Ana, Bruno, Carla, Luiz têm roupas sujas a serem lavadas, secadas, dobradas e guardadas.

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1 Organização de Computadores Pipeline

2 Organização de Computadores Ana, Bruno, Carla, Luiz têm roupas sujas a serem lavadas, secadas, dobradas e guardadas Lavadora leva 30 minutos Secadora leva 30 minutos Dobrar leva 30 minutos Guardar leva 30 minutos ABCD Processo de Pipelining (exemplo da lavanderia)

3 Organização de Computadores Processo seqüencial de lavagem leva oito horas para os quatro Quanto tempo levaria, utilizando-se pipelining ? 30 OrdemTarefasOrdemTarefas B C D A Tempo 30 6 PM AM Pipelining (exemplo da lavanderia)

4 Organização de Computadores Utilizando-se a técnica de pipeline consome-se 3,5 horas no processo de lavagem ! OrdemTarefasOrdemTarefas 12 2 AM 6 PM Tempo B C D A 30 Pipelining (exemplo da lavanderia)

5 Organização de Computadores Pipelining não ajuda a melhorar a latência de uma atividade, mas aumenta o throughput Várias tarefas operando em paralelo utilizam recursos diversos Aceleração potencial = Número de estágios de pipe Taxa de pipeline limitada pelo estágio mais lento Desequilíbrios na duração dos estágios reduz a a aceleração Tempo para encher o pipeline e para esvaziá-loreduz a aceleração Pode parar por dependências 6 PM 789 Tempo B C D A 30 OrdemTarefasOrdemTarefas Observações sobre Pipelining

6 Organização de Computadores Idéia Básica Shift left 2 M u x 0 1 PC 0 M u x M u x BI: Busca da instrução DI: Decodificação/ Leitura do banco de registradores EX: Execução/ Cálculo do endereço MEM: Acesso à memória ER: Escrita mo banco de registradores somadorsomador Endereço Instrução Memória de Instruções Reg a ser lido #1 Reg a ser lido #2 Reg a ser escrito Dado lido #1 Dado lido #2 Registradores Ext. de sinal somadorsomador Resultado da soma UAL Zero Resultado da UAL Endereço Dado a ser escrito Dado lido Memória de Dados

7 Organização de Computadores Busca: Busca da instrução da memória de instruções Reg/Dec: Leitura do(s) registrador(es) e decodificação da Instrução UAL: Calcula o endereço da memória de dados Mem: Lê dado da memória de dados Reg: Escreve o dado no banco de registradores Ciclo 1Ciclo 2Ciclo 3Ciclo 4Ciclo 5 BuscaReg/DecUALMemRegLoad Os Cinco Estágios da Instrução de Carga

8 Organização de Computadores Pipelining 8 ns 8 ns 8 ns lw lw lw lw lw 2 ns 2 ns RegReg 2 ns2 ns2 ns2 ns2 ns Ordem de execução do programa (em instruções) Tempo RegReg Busca UAL Acesso ao dado RegReg Busca UAL Acesso ao dado Busca Ordem de execução do programa (em instruções) Tempo Busca Reg Reg UAL Acesso ao dado Acesso ao dado Acesso ao dado Reg Reg l lw

9 Organização de Computadores Clk Ciclo 1Ciclo 2Ciclo 3Ciclo 4Ciclo 5Ciclo 6Ciclo 7Ciclo 8Ciclo 9Ciclo 10 Implementação Monociclo: LoadStoreWaste Load Implementação Pipeline: BuscaRegExecMemEscr BuscaRegExecMemEscrStore BuscaRegExecMemEscrTipo R Clk Ciclo 1Ciclo2 Monociclo vs Pipeline

10 Organização de Computadores Suponha que vão ser executadas 100 instruções Máquina monociclo 1 ciclo de relógio tem duração de 45 ns 45 ns/ciclo 1 CPI x 100 inst = 4500 ns Máquina ideal pipelined 1 ciclo de relógio tem duração de 10 ns cada estágio de pipeline utiliza um ciclo de relógio 5 1 ciclo + (1 ciclo (100 inst -1)) = 50 ns ns = 1040 ns Porque Usar Pipeline?

11 Organização de Computadores Representação Gráfica de Pipeline

12 Organização de Computadores O r d e m I n s t r. r Tempo (ciclos de clock) Inst 0 Inst 1 Inst 2 Inst 4 Inst 3 ALU Mi Reg Md Reg ALU Mi Reg MdReg ALU Mi Reg MdReg ALU Mi Reg MdReg ALU Mi Reg MdReg Pipeline - Recursos disponíveis

13 Organização de Computadores Conflitos estruturais: tentativa de utilizar o mesmo recurso de modos diferentes ao mesmo tempo E.x., lavadora/secadora combinadas, ou pessoa que dobra ocupada com outra atividade (lavando panela) sem duas memórias, não poderia ter acesso à instrução simultâneo com dados Conflitos do Pipeline

14 Organização de Computadores O r d e m I n s t r. Mi Tempo (ciclos de clock) Load Instr 1 Instr 2 Instr 3 Instr 4 ALU Mi Reg MdReg ALU Mi Reg MdReg ALU Mi Reg MdReg ALU Reg MdReg ALU Mi Reg MdReg Deteção fácil nesse caso! Conflito Estrutural - Memória Única

15 Organização de Computadores Conflitos de controle: tentativa de tomar uma decisão antes que a condição seja avaliada E.x., lavar uniformes de time de futebol e precisa saber quantidade de sabão; precisa esperar a secadora para colocar próximo uniforme instruções de desvio Conflitos do Pipeline

16 Organização de Computadores Parada: espera até decisão estar clara OrdemInstrOrdemInstr Tempo (ciclos de clock) Add Beq Load ALU Mi Reg MdReg ALU Mi Reg MdReg ALU Reg MdReg Mi Soluções para Conflito de Controle

17 Organização de Computadores Predição: escolhe uma direção e retorna se errada predição não executada Certo ­ 50% do tempo OrdemInstrOrdemInstr Tempo (ciclos de clock) Add Beq Load ALU Mi Reg MdReg ALU Mi Reg MdReg Mi ALU Reg MdReg Soluções para Conflito de Controle

18 Organização de Computadores Conflitos de dados: tentativa de utilizar um item antes de estar pronto E.x., uma meia na secadora outro na lavadora; não pode dobrar instrução depende de resultado da instrução anterior ainda no pipeline Conflitos do Pipeline

19 Organização de Computadores add r2 r3 r1 addi r1 r4 100 Conflito de Dados com r1

20 Organização de Computadores OrdemInstrOrdemInstr Tempo (ciclos de clock) add r2 r3 r1 addi r1 r4 100 BIID/RFEXMEMREG ALU Mi Reg Md Reg ALU Mi Reg MdReg Conflito de Dados com r1

21 Organização de Computadores Adiantamento do resultado de um estágio para outro OrdemInstrOrdemInstr Tempo (ciclos de clock) BI ID/RFEXMEMER ALU Mi Reg Md Reg ALU Mi Reg MdReg Solução para Conflito por Dados add r2 r3 r1 addi r1 r4 100


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