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Tutorías con Grupos Reducidos (TGR)

Sesión 2: Paralelismo a Nivel de Instrucción

ESTRUCTURA DE COMPUTADORES

Grupo de Arquitectura de Computadores (GAC)

Dyer Rolán García (GAC) Paralelismo a nivel de instrucción Curso 2011/2012 1 / 43

Índice

1 Introducción a la segmentación de cauce

2 Dependencias y paralelismo a nivel de instrucción

3 Riesgos en la ejecución

4 Cauce segmentado en el MIPS

5 Procesamiento de saltos

6 Ejercicios

Índice

6 Ejercicios

Repaso: procesador multicicloProcesador MIPS multiciclo visto en FC:

Estado 0

Inicio

LeerMemSelALUA = 0

IoD = 0EscrIREscrPC

FuentePC = 00

selALUB = 01ALUOp = 00

Estado 1

SelALUA = 0selALUB = 11ALUOp = 00

(Op = “LW”) o (Op = “SW”)

Estado 4

Estado 5

Acceso amemoria

(Op = “LW”) (Op = “SW”)

Cálculodirección dememoria

Etapa de escritura

Estado 3

Estado 2

LeerMemIoD = 1

EscrMemI0D = 1

EscrRegMem2Reg = 1RegDest = 0

Finalización dela operación

Ejecución de laoperación

“beq”)

Finalizaciónde salto condicional

Estado 8

SelALUA = 1selALUB = 00ALUOp = 01EscrPCCond

FuentePC = 01

(Op = “j”)

Finalizaciónde jump

Estado 9

EscrPCFuentePC = 10

Estado 7

Estado 6

RegDest = 1EscrReg

Mem2Reg=0

Segmentación de cauce

Comparación entre la implementación multiciclo y la segmentada:

Instrucciones 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12lw $1,16($2) IF ID EX MEM WB

addi $2,$2,4 IF ID EX MEM

beq $3,$0,loop IF ID EX

Instrucciones 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12lw $1,16($2) IF ID EX MEM WB

addi $2,$2,4 IF ID EX MEM WB

beq $3,$0,loop IF ID EX MEM WB

Operaciones multiciclo

Algunas operaciones tardan más de un ciclo de reloj en la etapa deejecuciónLas instrucciones en punto flotante tienen la misma segmentación quelas enteras, pero con las siguientes modificaciones:

▶ La etapa EX tiene diferente latencia dependiendo de la instrucción▶ Existen diversas unidades funcionales para cada tipo de operación

Índice

6 Ejercicios

DefiniciónEl paralelismo a nivel de instrucción (Instruction Level Parallelism-ILP) esla capacidad de procesar instrucciones en paralelo. Viene determinado porel número de instrucciones que pueden solaparse en las etapas de unprocesador.

Dos instrucciones son dependientes si se deben ejecutar en orden:1 Indican la posibilidad de un riesgo (una instrucción no se puede

ejecutar en el ciclo de reloj que le correspondería)2 Determinan el orden en el cual se deben calcular los resultados.3 Establecen la cantidad máxima de paralelismo que se puede obtener.

Hay tres tipos de dependencias:de datos o verdaderasde nombre (antidependencias y dependencias de salida)de control

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6 Ejercicios

Riesgos en la ejecución

El CPI ideal de un procesador segmentado es unoSin embargo, hay situaciones, denominadas riesgos (hazards), queimpiden que se ejecute la siguiente instrucción del flujo deinstrucciones durante su ciclo de reloj.

Tipos de riesgos▶ Estructurales: el hardware no puede soportar la combinación de

instrucciones que se quieren ejecutar en el mismo ciclo.▶ De control: surgen del problema de determinar la instrucción correcta que

se tiene que ejecutar después de un salto.▶ De datos: surgen de la existencia de dependencias entre las instrucciones

(RAW, WAW, WAR).

Índice

6 Ejercicios

Unidad de control

Camino de datos segmentado con las señales de control identificadas

Anticipación

Permite obtener las entradas de la ALU de cualquier registro desegmentación, no solo del ID/EX

Anticipación

Permite obtener las entradas de la ALU de cualquier registro desegmentación, no solo del ID/EX

Bloqueo

En algunas situaciones la anticipación no evita el riesgo RAW y sehace necesario bloquear el flujo de instrucciones en el cauce

Bloqueo

En algunas situaciones la anticipación no evita el riesgo RAW y sehace necesario bloquear el flujo de instrucciones en el cauce

Necesitamos parar Necesitamos parar un cicloun ciclo

Índice

6 Ejercicios

Procesamiento de saltos

Los riesgos de control se originan a partir de las instrucciones desalto condicional que determinan la secuencia de instrucciones quehay que procesar tras ellas.Cuando se ejecuta un salto, éste puede cambiar o no el contador deprograma (PC): salto efectivo / salto no efectivo.El método más simple para tratar con saltos consiste en purgar elcauce y repetir la búsqueda de la instrucción siguiente al salto una vezque se detecta el salto.Pueden provocar una mayor pérdida de rendimiento para un cauceMIPS que un riesgo de datos.Unos ciclos de parada en cada salto no parecen mucho, pero en lapráctica puede suponer una pérdida del rendimiento de entre un 10%y un 30%, dependiendo de la frecuencia de saltos y de la latencia delos mismos (etapa en la que se decide el salto).

Predicción de salto

Existen dos tipos de predicción de saltos:Predicción fija: la predicción no depende del comportamientodinámico del salto, el hardware siempre realiza la misma predicciónpara cada salto.Predicción dinámica: depende del comportamiento del salto entiempo de ejecución y cambiará si el salto cambia su comportamientodurante la ejecución.

Salto retardado

Las instrucciones que se captan después de una instrucción de salto yantes de la modificación del PC se ejecutan en su totalidad.

▶ Se dice que estas instrucciones ocupan el hueco de retardo.El compilador debe ubicar después de la instrucción de salto:

▶ Una instrucción que no modifique la semántica del programa.▶ Una NOP.

La tarea del compilador es hacer las instrucciones sucesorasválidas y útiles.

Índice

6 Ejercicios

Ejercicio 1

Enunciado:Identifica todas las dependencias y su tipo en el siguiente código:

1 add $2, $5, $42 add $4, $2, $53 lw $4, 100($2)4 sub $10, $4, $16

Ejercicio 1

Solución:1 Dependencias verdaderas.2 Antidependencias.3 Dependencias de salida.

add $2, $5, $4add $4, $2, $5lw $4, 100($2)sub $10, $4, $16Dye r Ro lá n Ga rc ía

Ejercicio 1

Ejercicio 2

Enunciado:El siguiente código se ejecuta en un procesador segmentado de 5etapas con salto fijo no efectivo que se decide en la 2ª etapa:

etiq: slt $t3, $a0, $a1bne $t3, $0, salirlw $t0, 0($a0)add $t2, $t2, $t0addi $a0, $a0, -4j etiq

salir: sw $t2, 0($a0)

Dibuja el diagrama multiciclo para una iteración y calcula el CPI si $a0inicialmente tenía el valor 0x1000FF10 y $a1 el valor 0x1000FF00.

Ejercicio 2

Solución (Primera iteración):

Ejercicio 2

Solución (Iteración de salida):

Ejercicio 2

Solución (CPI):

CPIsec1 =4 ciclosent + (5 it × 10 ciclos/it) + 6 ciclossal

(5 it × 6 inst/it) + 3 instsal=

6033 = 1,81

Ejercicio 3

Enunciado:Considere la siguiente secuencia de instrucciones empleada parauna copia de memoria a memoria:

lw $6, 100($5)sw $6, 200($5)

Muestre los cambios necesarios en el camino de datos para permitir queun código como este se ejecute sin bloqueos. Incluya las ecuaciones deanticipación para cada una de las señales de control de cada multiplexor.

Ejercicio 3

Solución:

EX/MEM MEM/WB

Forwarding unit

MEM/WBRegisterRd

(MEM/WB RegisterRd == EX/MEM RegisterRd) and EX/MEM.MemWrite and MEM/WB.MemtoReg=0

EX/MEMRegisterRd

MemtoRegMemWrite

Ejercicio 4

Enunciado:Calcular el CPI de un camino de datos segmentado con el siguienterepertorio de instrucciones: 22% cargas, 11% almacenamientos,49% tipo R, 16% saltos y 2% bifurcaciones. Suponer que la mi-tad del tiempo la instrucción que sigue a una instrucción de cargadepende del resultado de la carga. Considerar que las bifurcacio-nes tienen siempre 1 ciclo de reloj de retardo (CPIj=2). Suponerademás que el 25% de los saltos son efectivos.

¿Cuántas veces es más rápida una máquina segmentada (con CPI = 1), queno retarda la segmentación, si se compara con la máquina descrita?

Ejercicio 4

Solución a):

CPI = 0, 22×(0, 5×1+0, 5×2)+ 0, 11×1 + 0, 49×1+0, 16×(0, 25×2+0, 75×1)+0, 02×2 = 1,17

Solución b):Rmaq1

Rmaq2=

CPImaq2

CPImaq1= 1,17

Ejercicio 5 (I)

Enunciado:Supongamos un procesador segmentado de 4 etapas (IF, ID,EX/MEM y WB) con salto fijo no efectivo. En la etapa EX/MEMse realiza la ejecución de las instrucciones o el acceso a memoria yen WB se realiza la post-escritura. Además, este procesador tieneuna unidad de anticipación en la etapa EX/MEM y una unidad dedetección en la etapa ID.

a)¿Es posible ejecutar el siguiente código sin introducir ninguna burbuja?

lw $t0, 0($a0)add $t2, $t2, $t0

Ejercicio 5 (y II)

b)Muestra el diagrama multiciclo del siguiente código:

addi $8, $0, 0etiq: lw $2, 0($4)

addi $4, $4, 4add $9, $9, $2addi $8, $8, 1slti $1, $8, 2bne $1, $0, etiqaddi $9, $9, 1

Ejercicio 5

Solución (a):

lw $t0, 0($a0)add $t2, $t2, $t0

IF ID EX/MEM WBIF ID EX/MEM WB

García

Ejercicio 5

Solución (b):addi $8, $0, 0etiq: lw $2, 0($4)addi $4, $4, 4add $9, $9, $2addi $8, $8, 1slti $1, $8, 2bne $1, $0, etiqaddi $9, $9, 1

IF ID EX/MEM WB

Siguiente iteración

Ejercicio 6 (I)Enunciado:

En un procesador segmentado MIPS con salto fijo no efectivo,en donde el salto se decide en la etapa ID y tiene una unidad deanticipación en la etapa de EX, es decir, se anticipan los datos a laALU o unidades de punto flotante, se está ejecutando el siguientecódigo:

Loop:addi $s2, $s2, 4lwc1 $f1, 0($s2)mul.s $f1, $f1, $f2lwc1 $f2, 0x7000($s2)add.s $f2, $f1, $f2swc1 $f2, 0x7000($s2)bne $s2, $s1, Loopadd $s1, $s2, $t0

Ejercicio 6 (y II)

Suponiendo que la latencia de la unidad de multiplicación enpunto flotante es de 4, la de suma en punto flotante de 2 yambas unidades son segmentadas,

a) Dibuja el diagrama multiciclo para una iteración donde el salto fueseefectivo.b) ¿Cómo se puede mejorar el rendimiento de la secuencia anteriorreordenando el código?c) Dibuja el diagrama multiciclo para una iteración donde el salto fueseefectivo si en lugar de salto fijo no efectivo se utiliza salto retardado.d) ¿Cómo se puede aprovechar el hueco del salto con la técnica de saltoretardado en el código de este ejercicio?

Ejercicio 6

Solución (a):

addi $s2, $s2, 4

lwc1 $f1, 0($s2)

mul.s $f1, $f1, $s2

lwc1 $f2, 0x7000($s2)

add.s $f2, $f1, $s2

swc1 $f2, 0x7000($s2)

bne $s2, $s1, Loop

add $s1, $s2, $t0

IF ID MEM

IF ID EX MEM

IF ID EX1

IF ID EX MEM

ID EX WB

EX2 EX3 EX4 MEM WB

EX1 EX2 MEM WB

MEM WB

MEM$f1

Ejercicio 6

Solución (b):Loop: addi $s2, $s2, 4lwc1 $f1, 0($s2)mul.s $f1, $f1, $s2lwc1 $f2, 0x7000($s2)add.s $f2, $f1, $s2swc1 $f2, 0x7000($s2)bne $s2, $s1, Loopadd $s1, $s2, $t0

Ejercicio 6

Solución (b):Loop: addi $s2, $s2, 4lwc1 $f1, 0($s2)mul.s $f1, $f1, $s2lwc1 $f2, 0x7000($s2)add.s $f2, $f1, $s2swc1 $f2, 0x7000($s2)bne $s2, $s1, Loopadd $s1, $s2, $t0

Loop: lwc1 $f1, 4($s2)addi $s2, $s2, 4mul.s $f1, $f1, $s2lwc1 $f2, 0x7000($s2)add.s $f2, $f1, $s2swc1 $f2, 0x7000($s2)bne $s2, $s1, Loopadd $s1, $s2, $t0

Ejercicio 6

Solución (c):Loop: addi $s2, $s2, 4lwc1 $f1, 0($s2)mul.s $f1, $f1, $s2lwc1 $f2, 0x7000($s2)add.s $f2, $f1, $s2swc1 $f2, 0x7000($s2)bne $s2, $s1, Loopadd $s1, $s2, $t0addi $s2, $s2, 4

IF ID MEM

IF ID EX MEM

IF ID EX1

IF ID EX MEM

ID EX WB

EX2 EX3 EX4MEMWB

EX1 EX2MEMWB

ID EX MEMWB

IF ID MEMWBEX

Ejercicio 6

Solución (d):Loop: addi $s2, $s2, 4lwc1 $f1, 0($s2)mul.s $f1, $f1, $s2lwc1 $f2, 0x7000($s2)add.s $f2, $f1, $s2swc1 $f2, 0x7000($s2)bne $s2, $s1, Loopadd $s1, $s2, $t0

Ejercicio 6

Solución (d):Loop: addi $s2, $s2, 4lwc1 $f1, 0($s2)mul.s $f1, $f1, $s2lwc1 $f2, 0x7000($s2)add.s $f2, $f1, $s2swc1 $f2, 0x7000($s2)bne $s2, $s1, Loopadd $s1, $s2, $t0

Loop: lwc1 $f1, 4($s2)addi $s2, $s2, 4mul.s $f1, $f1, $s2lwc1 $f2, 0x7000($s2)add.s $f2, $f1, $s2bne $s2, $s1, Loopswc1 $f2, 0x7000($s2)add $s1, $s2, $t0

Ejercicio 7

Enunciado:Identifica todas las dependencias del siguiente código:

salto: addi $4, $4, 4lwc1 $f18, 100($4)sub.s $f18, $f12, $f18swc1 $f18, 100($4)add $3, $6, $3beq $3, $8, saltonop

Si usamos el procesador MIPS habitual pero con salto retardado:

a) ¿Cuál sería el diagrama multiciclo para una iteración?b) Reordena el código para optimizar el rendimiento.

Ejercicio 7

Solución (a):1 Dependencias verdaderas.2 Dependencias de salida.

salto: addi $4, $4, 4lwc1 $f18, 100($4)sub.s $f18, $f12, $f18 swc1 $f18, 100($4)add $3, $6, $3beq $3, $8, saltonop

Ejercicio 7

Solución (a):1 Dependencias verdaderas.2 Dependencias de salida.

salto: addi $4, $4, 4lwc1 $f18, 100($4)sub.s $f18, $f12, $f18 swc1 $f18, 100($4)add $3, $6, $3beq $3, $8, saltonop

Ejercicio 7

Solución (b):salto: addi $4, $4, 4lwc1 $f18, 100($4)sub.s $f18, $f12, $f18 swc1 $f18, 100($4)add $3, $6, $3beq $3, $8, saltonop

Ejercicio 7

Solución (b):salto: addi $4, $4, 4lwc1 $f18, 100($4)sub.s $f18, $f12, $f18 swc1 $f18, 100($4)add $3, $6, $3beq $3, $8, saltonop

salto: lwc1 $f18, 104($4)add $3, $6, $3sub.s $f18, $f12, $f18 addi $4, $4, 4beq $3, $8, saltoswc1 $f18, 100($4)

Ejercicio 7

Solución (c):salto: addi $4, $4, 4lwc1 $f18, 100($4)sub.s $f18, $f12, $f18swc1 $f18, 100($4)add $3, $6, $3beq $3, $8, saltonop

IF ID MEM

IF ID EX MEM

IF ID EX1

IF ID EX MEM

EX2MEMWB

EX MEMWB

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