Calcolatori Elettronici

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1 Calcolatori Elettronici Tecniche Pipeline: Elementi di base (ESERCIZI) assimiliano Giacomin

2 Esercizio confronto prestazioni pipeline vs. mlticiclo Si consideri la segente combinazione di istrzioni esegite 22% load, % store, 49% formato-r, 6% salti condizionati, 2% salti incondizionati Si consideri la pipeline IPS a 5 stadi con i segenti tempi di eseczione: Prelievo, eseczione con ALU, accesso in memoria = 4 ns Decodifica/lettra registri, scrittra registri = 2 ns Determinare il tempo medio di eseczione per istrzione per n processore con controllo mlticiclo e per n processore con pipeline, considerando per la pipeline il caso ideale: sitazione a regime e nessna criticità. Confrontare le prestazioni delle se solzioni. 2

3 Solzione T clock = 4 ns (sia nel caso mlticiclo sia nel caso di pipeline: corrisponde al tempo di eseczione dell nità fnzionale più lenta) Tempo medio di CPU nel caso di controllo mlti-ciclo Nmero di cicli per ciascna classe di istrzioni Load = 5 Store = 4 Formato-R = 4 Salti cond. = 3 Salti incond. = 3 CPI =,22 5 +, 4 +,49 4 +,6 3 +,2 3 = 4,4 Tempo medio per istrzione = CPI T clock = 4,4 4 ns = 6,6 ns 3

4 Pipeline ideale e confronto prestazioni Per na pipeline ideale si considera CPI = Un ciclo di clock è pari a 4 ns Il tempo medio di eseczione è qindi pari a CPI * T clock = 4 ns Confrontiamo ora i tempi medi nei de schemi considerati Tempo Tempo 6,6 4 mlticiclo Speedp = = = 4, 4 pipeline Le prestazioni migliorano di 4,4 volte nel caso di controllo pipeline 4

5 Appello 3 lglio 26: ES. [5 pnti] Si consideri, mostrato alla pagina segente, il path corrispondente all implementazione con tecnica pipeline a 5 stadi relativamente alle istrzioni IPS lw, sw, beq, Tipo-R. Si vole implementare la nova istrzione lw rt, (rs)++ rt [rs], rs rs+4 che carica nel registro rt il valore della locazione di memoria di indirizzo specificato in rs ed incrementa il registro rs in modo che pnti alla parola sccessiva in memoria. Si spponga in ogni caso che rs sia diverso da rt. Ricordando i tre formati di codifica delle istrzioni (riportati di segito) si chiede di: - riportare il formato della nova istrzione macchina - riportare, nella corrispondente figra, le modifiche necessarie al path - specificare come viene implementato il controllo della pipeline, riportando nel path l nità di controllo e precisando (solo per la nova istrzione) i segnali di controllo settati. 5

6 Dobbiamo implementare lw rt, (rs)++ PCSrc IF/ID ID/EX EX/E E/WB Add 4 Shift left 2 Add Add Branch Reg PC Instrction Instrction register register 2 Registers register 2 ALUSrc Zero Add ALU em Data emtoreg Instrction (5 ) 6 Sign 32 6 etend ALU control em Instrction (2 6) ALUOp Instrction (5 ) RegDst 6

7 Una possibile solzione è sfrttare per il calcolo di rs+4 la ALU non impegnata destinata normalmente al calcolo indirizzo beq, mentre al solito la ALU principale calcola l indirizzo rs+offset PCSrc IF/ID ID/EX EX/E E/WB Add 4 Shift left 2 Add Add Branch Reg PC Instrction Instrction register register 2 Registers register 2 ALUSrc Zero Add ALU em Data emtoreg Instrction (5 ) 6 Sign 32 6 etend ALU control em Instrction (2 6) ALUOp Instrction (5 ) RegDst 7

8 E possibile implementare l istrzione con il formato Tipo-I: Op = lw++ rs rt Ttti i bit a + [rs] rt rs++ Vediamo il path 8

9 Dobbiamo aggingere opportni UX alla ALU e segnali di controllo al Register file per poter scrivere de registri (rt e rs) PCSrc Add rs NSrcA IF/ID ID/EX EX/E E/WB PC 4 Instrction Instrction register register 2 Registers register Reg Reg2 2 Data2 Register2 Shift left 2 +4 NSrcB ALUSrc Add Add Zero Add ALU Branch em Data emtoreg Instrction (5 ) #rs 6 Sign 32 6 etend ALU control em Instrction (2 6) ALUOp Instrction (5 ) RegDst 9

10 Controllo: combinatorio, nello stadio D. Nel path, indicare l nità di controllo come in Fig. del Patterson Segnali di controllo per la nova istrzione: NSrcA = NSrcB = ALUSrc = ALUOp = somma RegDst = em emtoreg = Reg Reg2

11 Esercizio individale Cosa sccede qando #rs = #rt? lw rt, (rs)++ Attalmente, ttto dipende dal comportamento del register file Per esercizio: - qando #rs = #rt, fare in modo che venga scritto solo rs con il valore rs=rs+4 (corrisponde all operatore postfisso) Si spponga di disporre di na nità (non critica) del tipo 5 5 = che restitisce se i de valori a 5 bit in ingresso sono gali