Controllo a ciclo singolo

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1 Controllo a ciclo singolo Il controllo della CPU a singolo ciclo è combinatorio Il datapath è invece un circuito sequenziale i suoi output dipendono anche dal valore dei registri es. Zero, oppure l indirizzo della memoria dati, oppure il valore da immagazzinare in memoria in conseguenza di una store, dipendono dai valori dello stato interno del datapath (ovvero dal contenuto dei registri) Dobbiamo attendere che tutti i circuiti siano stabili, sia quelli del datapath che quelli del controllo, prima di attivare il fronte di salita/discesa del clock Clock in AND con i segnali di controllo di scrittura (registri/memoria) i valori vengono scritti in corrispondenza del fronte di salita/discesa del clock solo se i segnali relativi sono affermati Ciclo di clock determinato sulla base del cammino più lungo che i segnali elettrici devono attraversare es.: l istruzione lw è quella più costosa: mem. istr. - Reg. File (Read) - ALU e Adders - Mem. Dati - Reg. File (Write) i circuiti del controllo agiscono in parallelo alla lettura dei registri

2 Valutazione delle prestazioni Come si descrivono e misurano le prestazioni di un processore? Dovremo considerare il software, e le operazioni richiesta da questo sull hardware istruzioni del programma riferimenti alla memoria operazioni di I/O Misurare oggettivamente le prestazioni è molto difficile A cosa serve studiare le metriche per valutare le prestazioni? Fare buone scelte di progetto, e.g., capire per un programma va male Fare buone scelte di acquisto di nuovo hardware

3 Valutazione delle prestazioni Perché può succedere che un sistema sia migliore di un altro per il programma A, e risulti invece peggiore per il programma B? I fattori che influenzano le prestazioni sono relative all hardware o al software? E meglio installare un nuovo OS, o comprare una nuova macchina? Come può un certo set di istruzioni influenzare le prestazioni di una CPU? Come può l uso di un nuovo compilatore influenzare le prestazioni di una CPU rispetto ad un certo insiemi di programmi?

4 Il problema delle metriche Aereo Posti Autonomia (km) Velocità (km/h) Portata(*) Boeing Boeing BAC/Sud Concorde Douglas DC (*) (Pass. x km/h) Metriche diverse! BAC/Sud Concorde è il più veloce (di quanto rispetto al DC-8?)! Boeing 747 è più capiente (di quanto rispetto al 777?)! Douglas DC-8-50 ha maggiore autonomia (di quanto rispetto al 747?) Nota la colonna Portata:! è una misura che tiene conto sia della Capienza e sia della Velocità! metrica utile usata se non siamo interessati a valutate la velocità di spostamento di un singolo passeggero, ma a valutare quanti passeggeri siamo in grado di spostare contemporaneamente a quella data velocità

5 Prestazione di un calcolatore Tempo di esecuzione (Latenza) Quanto impiega il mio programma ad essere eseguito a sistema scarico? Quanto devo attendere per una query di un database? Throughput (Banda di elaborazione) Quanti programmi possono essere eseguiti assieme su una macchina? Qual è il tempo di esecuzione medio? Quanto lavoro viene completato in un certo tempo?

6 Prestazione di un calcolatore Quali delle due misure (tempo di esecuzione, throughput) viene influenzata: Se compriamo una nuova CPU? Diminuiamo tempo di esecuzione dei job e aumentiamo throughput Se aggiungiamo un altra workstation ad un laboratorio? Aumentiamo il throughput, ma non il tempo di esecuzione Diminuiamo comunque tempo di risposta se ci sono molti job, e questi sono costretti a rimanere in coda riduciamo le attese in coda tempo di risposta = tempo attesa in coda + tempo di esecuzione

7 Tempo di esecuzione Elapsed Time o Response Time (wall clock time) tiene conto di ogni cosa (accessi al disco (I/O), multiprogrammazione, attese nelle code (OS), ecc.) Tempo di CPU vogliamo distinguere rispetto ai tempi spesi per I/O e multiprogrammazione es.: comando UNIX time ( time <prog> ) 90.7s 12.9s 2:39 63% user system elapsed 100 * ( ) / 159 CPU time CPU time time Il nostro primo obiettivo sarà quello di analizzare soltanto il tempo di CPU impiegato per l esecuzione dei programmi utente (user CPU time) ovvero, senza considerare i codici dell O.S., l I/O, o altro Execution time = user CPU time

8 Performance, Execution Time, Speedup Misuriamo il tempo di esecuzione (user CPU time) di un programma su una macchina X: Execution time X Definiamo la Performance (throughput) come: Performance X = 1 / Execution time X Se la macchina X è più veloce di Y a eseguire il programma Speedup = Execution time Y / Execution time X = Performance X / Performance Y = n "X è n volte più veloce di Y

9 Cicli di clock Legame tra tempo di esecuzione e numero di cicli di clock per eseguire un programma CPU time (in sec.) = no. cicli x T Clock period (Periodo) = durata/periodo del ciclo di clock (in sec.) Clock rate (Frequenza) = cicli al secondo (1 Hz. = 1 cycle/sec) Freq = 1 / T T = 1 / Freq Un clock a 200 Mhz. (200 x 10 6 Hz) ha un periodo T di clock uguale a 5 ns. Conoscendo no. di cicli per l esecuzione di un programma e la frequenza del clock: CPU time (in sec.) = no. cicli / Frequenza

10 Migliorare le prestazioni CPU time (in sec.) = no. cicli x T CPU time (in sec.) = no. cicli / Frequenza Per migliorare le prestazioni possiamo: diminuire il no. cicli necessari per eseguire un programma, oppure diminuire il ciclo di clock, oppure aumentare la frequenza di clock

11 Cicli di clock e istruzioni Numero di cicli di clock differenti per istruzioni differenti Le moltiplicazioni impiegano più tempo delle addizioni Operazioni in virgola mobile impiegano più tempo delle operazioni su interi Accedere alla memoria costa di più che accedere ai registri Importante: se cambiamo il periodo di clock spesso, come effetto collaterale, cambiano il numero di cicli di clock necessari per eseguire le varie istruzioni

12 Esempio Per un dato programma da eseguire sul computer A conosciamo il tempo di CPU sul computer A: T A = 10 s la frequenza di clock del computer A: F A = 2 GHz Vogliamo costruire un computer B dove il tempo di CPU: T B = 6 s Il progettista può aumentare la frequenza di B, ma questo provoca l incremento dei numero di cicli per l esecuzione del programma (1.2 in più dei cicli necessari sulla macchina A). Di quanto dovremmo aumentare F B per garantire T B = 6 s? T A = # cicli A / F A # cicli A = 10 x 2 x 10 9 = 2 x T B = 1.2 x # cicli A / F B F B = 1.2 x 2 x / 6 = 4 GHz

13 IC, CPI, MIPS numero istruzioni # Cicli di clock = x macchina numero (medio) di cicli di clock per istruzione IC = instruction count = numero di istruzioni macchina del programma CPI = cicli di clock per istruzione = # cicli di clock / IC MIPS = milioni di istruzioni per secondo = IC / (Texe * 10 6 ) A noi interessa il tempo di esecuzione, le altre misure, prese singolarmente, possono portare a conclusioni errate nel valutare le prestazioni di un programma.

14 Esempio Due processori A e B implementano diversamente la stessa ISA Il processore A ha un ciclo di clock di 250 ps Il processore B ha un ciclo di clock di 500 ps Per lo stesso programma compilato Il processore A ha CPI 2.0 Il processore B ha CPI 1.2 Quale processore è più veloce, e di quanto?

15 Esempio Due processori A e B implementano diversamente la stessa ISA, quali delle seguenti quantità non cambia? F, CPI, Texe, IC, MIPS Soluzione: TA = IC x CPIA x (periodo di clock)a = 500 x IC ps TB = IC x CPIB x (periodo di clock)b = 600 x IC ps Speedup TB / TA = 600 / 500 = 1.2

16 Esempio Per una data ISA abbiamo tre classi di istruzioni: Classe A: 1 CPI Classe B: 2 CPI Classe C: 3 CPI Progettando un compilatore, una porzione di codice può essere implementata in due modi: Modo 1: AABCC (IC = 5) Modo 2: AAAABC(IC = 6) Quale dei due modi è più veloce, e di quanto? Qual è il CPI medio per ciascuna sequenza?

17 Esempio Quale dei due modi è più veloce, e di quanto? (# cicli)1 = 2 x x x 3 = 10 (# cicli)2 = 4 x x x 3 = 9 Speedup = 10/9 ~ 1.1 Qual è il CPI medio per ciascun modo? CPI1 = (# cicli)1 / IC1 = 10/5 = 2 CPI2 = (# cicli)2 / IC2 = 9/6 = 1.5

18 Esempio Due compilatori sono testati su un processore a 100 MHz con tre classi di istruzioni: Classe A, B, C: 1, 2, 3 CPI rispettivamente Il compilatore 1 genera un codice che una 5M istruzioni di classe A, 1M istruzioni di classe B, 1M istruzioni di classe C Il compilatore 2genera un codice che una 10M istruzioni di classe A, 1M istruzioni di classe B, 1M istruzioni di classe C Quale compilatore sarà più veloce rispetto al tempo di esecuzione? Quale compilatore sarà più veloce rispetto ai MIPS?

19 Esempio Quale compilatore sarà più veloce rispetto al tempo di esecuzione? (# cicli) 1 = 5M x 1 + 1M x 2 + 1M x 3 = 10M T 1 = (# cicli) 1 / F = 0.1 sec (# cicli) 2 = 10M x 1 + 1M x 2 + 1M x 3 = 15M T 2 = (# cicli) 2 / F = 0.15 sec Speedup = T 2 / T 1 =1.5 Quale compilatore sarà più veloce rispetto ai MIPS? MIPS 1 = IC 1 / T 1 = 7 / 0.1 = 70 MIPS MIPS 2 = IC 2 / T 2 = 12 / 0.15 = 80 MIPS

20 Problemi del ciclo singolo Ciclo di clock lungo Istruzioni potenzialmente veloci sono rallentate Impiegano sempre lo stesso tempo dell istruzione più lenta Unità funzionale e collegamenti della parte operativa sono replicati Bisogna eseguire in parallelo tutti i passi necessari per l esecuzione di qualsiasi istruzione dell ISA I processori moderni hanno un organizzazione interna che permette di eseguire più istruzioni in parallelo (ILP) Organizzazione a pipeline Grazie all ILP diminuiamo il CPI ma aumentiamo la frequenza di accesso alla memoria (per leggere istruzioni e leggere/scrivere dati)

21 Pipeline Le unità funzionali (lavatrice, asciugatrice, stiratrice, armadio) sono usate sequenzialmente per eseguire i vari job tra l esecuzione di due job, ogni unità rimane inattiva per 1,5 ore In modalità pipeline, il job viene suddiviso in stadi, in modo da usare le unità funzionali in parallelo unità funzionali usate in parallelo, ma per eseguire job diversi nella fase iniziale/ finale, non lavorano tutte parallelamente

22 Stadi della pipeline del MIPS Le istruzioni MIPS ristrette (lw, sw, add, or, beq, slt) del nostro processore MIPS sono sempre composte da 5 stadi 1. IF : Instruction fetch (memoria istruzioni) 2. ID : Instruction decode e lettura registri (grazie al formato regolare delle istruzioni) 3. EXE : Esecuzione istruzioni o calcolo indirizzi 4. MEM : Accesso a un operando in memoria (memoria dati) 5. WB : Write back (scrittura del registro risultato, calcolato in EXE o MEM)

23 Stadi della pipeline del MIPS

24 Registri per stadi di pipeline

25 Esempio lw

26 Esempio lw

27 Esempio lw

28 Esempio lw

29 Esempio lw C è un bug!!!

30 Esempio lw

31 Segnali di controllo

32 Segnali di controllo IF ID I segnali di controllo per leggere la memoria istruzioni e per scrivere il PC sono sempre asseriti, quindi non ci sono unità da controllare. A ogni ciclo di clock si verificano sempre le stesse azioni, quindi non ci sono segnali di controllo espliciti. EXE Bisogna propagare i segnali sul registro destinazione della ALU, quale operazione deve eseguire e quale input fornirgli sul secondo ingresso. MEM Bisogna propagare i segnali di lettura/scrittura sulla memoria dati e il segnale di branch. WB Bisogna propagare i segnali di controllo dei dati di input da scrivere sul register file (contenuto e controllo)

33 Segnali di controllo

34 Segnali di controllo