Pipeline



Execução sequencial das instruções
Uma etapa do ciclo de instrução se
inicia após a conclusão da anterior
Uma máquina com este tipo de
execução é chamada de SISD (Single
Instruction Single Data)


Para aumentar a velocidade de execução de
uma instrução, era necessário aumentar o
clock do processador e melhorar a tecnologia
dos semicondutores
As etapas do ciclo de instrução permaneciam
sendo realizadas seqüencialmente


Sobreposição temporal das etapas da
execução de instruções
As etapas de um ciclo de instrução
vão ocorrer simultaneamente, porém
sobre instruções diferentes
Cada uma das etapas do ciclo de
instrução recebe o nome de estágio
 Cada estágio é executado por uma
unidade do processador:

◦ Unidade
◦ Unidade
◦ Unidade
◦ Unidade
◦ Unidade
de
de
de
de
de
Busca de Instrução (BI)
Decodificação (D)
Busca de Operandos (BO)
Execução da Instrução (E)
Escrita de Resultados (ER)
Processador
Unidade
De BI
instrução
Unidade
De D
instrução
Unidade
De BO
Unidade
De E
instrução
Unidade
instrução De ER


Existem no pipeline situações em que a
instrução seguinte não pode ser executada
no próximo ciclo de clock: conflitos
Existem três tipos de conflitos:
◦ Conflitos Estruturais
◦ Conflitos de Controle
◦ Conflitos de Dados
Ocorre quando duas instruções estão
em etapas diferentes mas estão
utilizando o mesmo hardware, por
exemplo, a memória
 No diagrama anterior ocorrem vários
conflitos para acessar a memória, por
exemplo:

◦ No instante de tempo 5, a instrução 5 está
sendo buscada na memória junto com os
operandos da instrução 3
Conflito

Se a memória for uma só, não é possível
atender as duas requisições ao mesmo
tempo
◦ A memória principal (ou cache) possui somente
uma porta para atendimento de requisições

Nas máquinas modernas existem duas
memórias cache: cache de dados e cache de
instruções


O estágio de busca de instruções irá buscar a
instrução 5 na cache de instruções e ao
mesmo tempo o estágio de busca de
operandos acessa a cache de dados
Problema resolvido (para casos em que temos
cache separadas)
Ocorre quando uma instrução que está
no pipeline é um desvio condicional
 Enquanto esta instrução não passar pelo
estágio de execução, não se sabe qual é
a próxima instrução a ser executada
 Ocorrerá, então, uma parada no pipeline
(bolha)

◦ Queda no desempenho do pipeline


Para entendermos o que acontece no
pipeline quando uma instrução de desvio é
executada, iremos analisar o trecho de
código a seguir
Considere que o código está armazenado
na memória na ordem ilustrada
Instr.
Instr.
Instr.
Instr.
Instr.
Instr.
Instr.
1
2
3
4
5
6
7
Instr. 8
Instr. 9
Instr. 10
Instr. 11
cin>>x>>valor;
Instrução de
menor = 0;
desvio
maior = 0;
condicional
If (valor< x) {
maior = menor;
Desvio
menor= valor;
cout<< “qualquer coisa”;
}
Fluxo de
else {
execução
menor = maior;
seqüencial
maior = valor;
}
cin>> k;
K++;

A técnica mais utilizada para resolver
o conflito de controle é a predição ou
previsão de desvios
◦ A unidade de busca de instrução tenta
prever se o desvio será tomado ou não
◦ Esta previsão é baseada em uma tabela de
histórico de desvios
 A tabela de histórico é uma memória cache
pequena associada ao estágio de busca de
instrução do pipeline e tem cerca de 90 % de
precisão
◦ Esta tabela contém todas as instruções de
desvio de um programa, informando se
houve desvio ou não da última vez que a
instrução foi executada
◦ Se uma instrução de desvio condicional
provocou um desvio da última vez que ela
foi executada, da próxima vez que esta
instrução for executada, a unidade de
busca irá considerar que haverá desvio
novamente
int F, N;
F = 1;
cin >> N;
Em caso de estruturas
de repetição,
é considerado que sempre
ocorrerá desvio
If (N = = 0)
cout << “Fatorial de 0 é 1”;
else {
F = N;
while (N !=1){
F = F * (N-1);
N = N –1;
}
cout << “Fatorial de N é”, F;
}
Desvio
Fluxo de
execução
seqüencial


Quando a previsão está correta, o pipeline
prossegue na velocidade máxima
Quando a previsão falha, o pipeline é
esvaziado e as instruções corretas são
buscadas


A execução de uma instrução depende do
resultado de outra que ainda está no pipeline
Exemplo: suponha que tenhamos uma
instrução de carga imediatamente seguida
por uma instrução de subtração que utilize o
resultado da carga
LDA Op
ACC
(OP)
SUB Op
ACC
ACC - (OP)
A operação SUB
precisa do
conteúdo do
ACC no 4o
estágio do
pipeline
A operação LDA
só escreve o
resultado no ACC
no 5o estágio do
pipeline

Neste caso vai ocorrer uma bolha no pipeline
Bolha

A solução para resolver este conflito é a
reordenação das instruções
◦ As instruções que não estão conflitando são
adiantadas
Reordenação
LDA Op
LDA Op
SUB Op
GET Op
GET Op
SUB Op