4.PLANIFICACIÓN DINÁMICA DE INSTRUCCIONES 1. PLANIFICACIÓN DINÁMICA DE INSTRUCCIONES 1.El Concepto 2.Método del Marcador (Scoreboard) 3.Método de Tomasulo

4. PLANIFICACIÓN DINÁMICA DE INSTRUCCIONES

1

PLANIFICACIÓN DINÁMICA DE INSTRUCCIONES

1. El Concepto

2. Método del Marcador (Scoreboard)

3. Método de Tomasulo

2

1. El Concepto

3


El concepto

Planificación dinámica de instrucciones

DIV.D F1,F2,F3

ADD.D F4,F5,F1

SUB.D F6,F7,F8

IF ID

IF

EXDIV

ID

IF

EXDIV

ID

IF

EXDIV

ID

IF

EXDIV

ID

IF

EXDIV

ID

IF

EXDIV

ID

IF

. . .

. . .

. . .

¿Por qué “SUB.D” tiene que esperar?

• Múltipleso

• Segmentadaso

• Múltiples y segmentadas

Procesador con unidades funcionales

4

El concepto


• De la etapa IF se encarga una unidad especial que va extrayendo instrucciones y dejándolas en un buffer.

• La etapa ID se desdobla en dos:

ID

Emisión• Decodificación

• Resolución de riesgos estructurales

• Resolución de riesgos RAW

• Lectura de los operandos

Lectura de operandos

• La emisión se realiza en orden.

• Lectura de operandos y ejecución se realiza fuera de orden.

5

El concepto


• Simplifica el diseño de compiladores.

• Maneja los casos en los que las dependencias se desconocen en tiempo de compilación.

• Ejecuta eficientemente código compilado para otro procesador compatible.

• Permite aprovechar la espera por fallo de caché.

• Incrementa notablemente la complejidad del hardware.

• Aparecen riesgos WAR y WAW.

• Complica el tratamiento de las interrupciones.

Ventajas:

Inconvenientes:

6

El concepto


• El marcador (Scoreboard)

• Tomasulo

Estudiaremos dos métodos

7

2. Método del Marcador (Scoreboard)

8


Método del Marcador


Su objetivo es obtener el rendimiento óptimo de una instrucción por ciclo.

El módulo denominado “Marcador” se encarga de supervisar todo el proceso.

Marcador

FP Mult.

. . .

.

Registros

FP Mult.

FP Div.

FP Sum.

U. Entera

FP Sum.

9



El método se estructura en cuatro etapas.

Emisión

Lectura de operandos

Ejecución

Escritura de resultados

10



¿Riesgosestructurales?

SI

¿RiesgosWAW?

NO

SI

NO

Reservar U.F. y emitir instrucción

Se comprueba que ninguna instrucción activa tenga el mismo registro destino que la instrucción a emitir.

Se comprueba que la unidad funcional que necesita la instrucción esté libre.

1ª ETAPA

EMISIÓN

11



¿RiesgosRAW?

SI

NO

Proporcionar operandos a U.F.

Si alguna instrucción activa tiene que escribir en alguno de los operandos fuente de nuestra instrucción, se espera a que esto ocurra.

2ª ETAPA

LECTURA DE OPERANDOS

12



Opera la U.F.

La unidad funcional realiza la operación requerida avisando al marcador al finalizar.

3ª ETAPA

EJECUCIÓN

13



¿RiesgosWAR?

SI

NO

Escribir resultado en destino

Si una instrucción emitida anteriormente tiene que leer el registro que se va a escribir, se espera a que se realice la lectura.

4ª ETAPA

ESCRITURA DE RESULTADOS

14



Para la implementación, el marcador mantiene

tres estructuras:

Estado de las instrucciones

Estado de las unidades

funcionales

Estado de los registros

Estructuras de implementación.

15



Estado de las instrucciones

Hay una entrada por cada instrucción activa donde se indica en cuál de las cuatro fases se encuentra.

Fase

Inst. 1 Escritura resultados

Inst. 2 Ejecución

Inst. 3 Lectura operandos

. . .

. . .

16



Hay una entrada por cada unidad funcional.

Busy: Indica si está ocupada.Op: Operación que está realizando.FI: Registro destino.FJ y FK: Registros fuente.QJ y QK: U.F.´s que generan los valores de FJ y FK.RJ y RK: Indican si FJ y FK están listos.

Estado de las unidades

funcionales

Busy Op FI FJ FK QJ QK RJ RK

U.F. 1 si + F1 F4 F8 si si

U.F. 2 si / F2 F1 F12 UF 1 no si

U.F. 3 no

. . .

. . .

. . .

. . .

17



Estado de los registros

Indica la U.F. que debe escribir su resultado en ese registro.

Si está en blanco es que el valor del registro está actualizado.

F0 F1 F2 F3 F4 F5

U.F. UF 1 UF 2 UF 4

. . .

. . .F30 F31

UF 2

18


Tenemos un procesador con las siguientes características:

• Método del Marcador.• 2 unidades funcionales para la suma que utilizan 2 ciclos.• 2 unidades funcionales para la división que utilizan 20 ciclos.• La escritura de registros se realiza en el primer subciclo de reloj.• La lectura de registros se realiza en el segundo subciclo de reloj.

Ejemplo

Vamos a indicar durante qué ciclos tienen lugar cada una de las fases que se corresponden con la ejecución del siguiente código:

DIV F1,F2,F3ADD F4,F1,F3DIV F5,F6,F7ADD F3,F8,F9DIV F7,F3,F10ADD F7,F11,F12

Planificación dinámica de instrucciones 19


Instrucción Emisión Lectura Ejecución Escritura

DIV F1,F2,F3

ADD F4,F1,F3

DIV F5,F6,F7

ADD F3,F8,F9

DIV F7,F3,F10

ADD F7,F11,F12

+

+

/

/

1 2 3 - 22 23

1 - 22



DIV F1,F2,F3

ADD F4,F1,F3

DIV F5,F6,F7

ADD F3,F8,F9

DIV F7,F3,F10

ADD F7,F11,F12

1 2 3 - 22 23

2 23 RAW 24 - 25 26

2 - 25 1 - 22



+

+

/

/

21


DIV F1,F2,F3

ADD F4,F1,F3

DIV F5,F6,F7

ADD F3,F8,F9

DIV F7,F3,F10

ADD F7,F11,F12

1 2 3 - 22 23

2 23 RAW 24 - 25 26

2 - 25 1 - 22

3 4 5 - 24 25

3 - 24



+

+

/

/

22


DIV F1,F2,F3

ADD F4,F1,F3

DIV F5,F6,F7

ADD F3,F8,F9

DIV F7,F3,F10

ADD F7,F11,F12

1 2 3 - 22 23

2 23 RAW 24 - 25 26

2 - 25 1 - 22

3 4 5 - 24 25

3 - 24

4 5 6 - 7 24 WAR

4 - 7



+

+

/

/

23


DIV F1,F2,F3

ADD F4,F1,F3

DIV F5,F6,F7

ADD F3,F8,F9

DIV F7,F3,F10

ADD F7,F11,F12

1 2 3 - 22 23

2 23 RAW 24 - 25 26

2 - 25 1 - 22

3 4 5 - 24 25

3 - 24

4 5 6 - 7 24 WAR

4 - 7

23 RE 24 25 - 44 45

; 23 - 44



+

+

/

/

24


DIV F1,F2,F3

ADD F4,F1,F3

DIV F5,F6,F7

ADD F3,F8,F9

DIV F7,F3,F10

ADD F7,F11,F12

1 2 3 - 22 23

2 23 RAW 24 - 25 26

2 - 25 1 - 22

3 4 5 - 24 25

3 - 24

4 5 6 - 7 24 WAR

4 - 7

23 RE 24 25 - 44 45

; 23 - 44

46 WAW 47 48 - 49 50

; 46 - 49



+

+

/

/

25

3. Método de Tomasulo

26


Método de Tomasulo


También intenta conseguir el rendimiento óptimo de una instrucción por ciclo.

No hay un módulo que centralice la supervisión.

Técnica de renombrado de registros para solucionar los riesgos WAR y WAW.

27

Método de Tomasulo


FIFO de instrucciones.

Registros.

28

Método de Tomasulo


Unidades funcionales.

29

Método de Tomasulo


Estaciones de reserva.

Las instrucciones se envían a las estaciones de reserva hasta que están listas para ejecutarse.

30

Método de Tomasulo


Buffers de carga.

Buffers de almacenamiento.

31

Método de Tomasulo


CDB

(Common Data Bus)

Envía los resultados al registro o E.R. en espera.

Si varias instrucciones tienen el mismo registro destino, solo la última actualiza dicho registro.

32

Método de Tomasulo


El método se estructura en tres etapas.

Emisión

Ejecución

Escritura de resultados

33

Método de Tomasulo


1ª ETAPA

EMISIÓN

34

¿Operandosdisponibles?

NOSI

Enviar operandos a la E.R.

Indicar las E.R. con las instrucciones

que los generarán

¿Todos los operandos en

la E.R.?

NO

SI

¿E.R.disponible?

NO

SI

Enviar instrucción a la E.R.

Método de Tomasulo


Ejecutar en la U.F.

2ª ETAPA

EJECUCIÓN

35

Método de Tomasulo


3ª ETAPA

ESCRITURA DE RESULTADOS

Envía los resultados al

CDB

Desde el CDB se reenvía a los

registros o E.R. que lo espere

36

Método de Tomasulo


El tratamiento es similar.

No se permite la ejecución de una instrucción hasta que no se hayan resuelto las instrucciones de salto que la precedan.

LOAD / STORE

INSTRUCCIONES DE SALTO

Buffersde carga y

almacenamiento

Estacionesde reserva

Facilita el tratamiento de las interrupciones.

37

Método de Tomasulo


Para la implementación del método de Tomasulo hay que

agregar cierta información a cada uno de los siguientes

elementos:

Estaciones de reserva

Banco de registros

Buffers de carga

Estructuras de implementación.

Buffers de almacenamiento

38


Hay una entrada por cada estación de reserva.

Busy: Indica si está ocupada la E.R y su U.F.Op: Operación a realizar en la U.F.VJ y VK: Valores de los operandos.QJ y QK: E.R. que generará el operando VJ y VK.

Busy Op VJ VK QJ QK

E.R. 1 si + 10 44

E.R. 2 si / 200 1

E.R. 3 no

. . .

. . .

. . .

Estaciones de reserva

Método de Tomasulo

39


Hay una entrada por cada registro.

QI: E.R. que generará el resultado a almacenar en el correspondiente registro.

QJ

F0

F1 4

F2

. . .

. . .

Banco de registros

Método de Tomasulo

40


Hay una entrada por cada buffer de carga.

Busy: Indica si el buffer está ocupado.A: Dirección de acceso a memoria.

Busy A

B.C. 1 si 200

B.C. 2 si 1000

B.C. 3 no

. . .

. . .

Buffers de carga

Método de Tomasulo

41


Hay una entrada por buffer de almacenamiento.

Busy: Indica si el buffer está ocupado.A: Dirección de acceso a memoria.VI: Valores de los operandos.QI: E.R. que generará el operando VI.

Busy A VI QI

B.A. 1 no

B.A. 2 si 3500 22

B.A. 3 no

. . .

. . .

. . .

Buffers de almacenamiento

Método de Tomasulo

42

Método de Tomasulo

Tenemos un procesador con las siguientes características:

• Método de Tomasulo.• 1 unidad funcional para suma y resta que utiliza 2 ciclos.• 1 unidad funcional para multiplicación y división que utiliza 20 ciclos.• Cada unidad funcional dispone de 2 estaciones de reserva.

Ejemplo

Vamos a indicar durante qué ciclos tienen lugar cada una de las fases que se corresponden con la ejecución del siguiente código:

SUB F1,F2,F3ADD F4,F1,F3DIV F5,F6,F7ADD F3,F8,F9DIV F7,F3,F10ADD F7,F11,F12SUB F13,F13,F7SUB F14,F14,F15


Método de Tomasulo

Instrucción Emisión Ejecución Escritura

SUB F1,F2,F3

ADD F4,F1,F3

DIV F5,F6,F7

ADD F3,F8,F9

DIV F7,F3,F10

ADD F7,F11,F12

SUB F13,F13,F7

SUB F14,F14,F15


1 2 - 31 2 - 3 4

ER1 ER2 + -

ER3 ER4 * /

44

Método de Tomasulo


SUB F1,F2,F3

ADD F4,F1,F3

DIV F5,F6,F7

ADD F3,F8,F9

DIV F7,F3,F10

ADD F7,F11,F12

SUB F13,F13,F7

SUB F14,F14,F15


1

ER1 ER2 + -

ER3 ER4 * /

2 - 31 2 - 3 4

2 - 4 5 - 62 5 - 6 RAW 7

45

Método de Tomasulo


SUB F1,F2,F3

ADD F4,F1,F3

DIV F5,F6,F7

ADD F3,F8,F9

DIV F7,F3,F10

ADD F7,F11,F12

SUB F13,F13,F7

SUB F14,F14,F15


1

ER1 ER2 + -

ER3 ER4 * /

2 - 31 2 - 3 4

2 - 4 5 - 62 5 - 6 RAW 7

3 4 - 23 24

3 4 - 23

46

Método de Tomasulo


SUB F1,F2,F3

ADD F4,F1,F3

DIV F5,F6,F7

ADD F3,F8,F9

DIV F7,F3,F10

ADD F7,F11,F12

SUB F13,F13,F7

SUB F14,F14,F15


1

ER1 ER2 + -

ER3 ER4 * /

2 - 31 2 - 3 4

2 - 4 5 - 62 5 - 6 RAW 7

3 4 - 23 24

3 4 - 23

4 7 - 8 RE 9

4 - 6 7 - 8

47

Método de Tomasulo


SUB F1,F2,F3

ADD F4,F1,F3

DIV F5,F6,F7

ADD F3,F8,F9

DIV F7,F3,F10

ADD F7,F11,F12

SUB F13,F13,F7

SUB F14,F14,F15


1

ER1 ER2 + -

ER3 ER4 * /

2 - 31 2 - 3 4

2 - 4 5 - 62 5 - 6 RAW 7

3 4 - 23 24

3 4 - 23

4 7 - 8 RE 9

4 - 6 7 - 8

24 - 43 RAW

RE5 44

5 - 23 24 - 43

48

Método de Tomasulo


SUB F1,F2,F3

ADD F4,F1,F3

DIV F5,F6,F7

ADD F3,F8,F9

DIV F7,F3,F10

ADD F7,F11,F12

SUB F13,F13,F7

SUB F14,F14,F15


1

ER1 ER2 + -

ER3 ER4 * /

2 - 31 2 - 3 4

2 - 4 5 - 62 5 - 6 RAW 7

3 4 - 23 24

3 4 - 23

4 7 - 8 RE 9

4 - 6 7 - 8

24 - 43 RAW

RE5 44

5 - 23 24 - 43

6 9 - 10 RE 11

6 - 8 9 - 10

49

Método de Tomasulo


SUB F1,F2,F3

ADD F4,F1,F3

DIV F5,F6,F7

ADD F3,F8,F9

DIV F7,F3,F10

ADD F7,F11,F12

SUB F13,F13,F7

SUB F14,F14,F15


1

ER1 ER2 + -

ER3 ER4 * /

2 - 31 2 - 3 4

2 - 4 5 - 62 5 - 6 RAW 7

3 4 - 23 24

3 4 - 23

4 7 - 8 RE 9

4 - 6 7 - 8

24 - 43 RAW

RE5 44

5 - 23 24 - 43

6 9 - 10 RE 11

6 - 8 9 - 10

¿WAW?¡NO!

50

Método de Tomasulo


SUB F1,F2,F3

ADD F4,F1,F3

DIV F5,F6,F7

ADD F3,F8,F9

DIV F7,F3,F10

ADD F7,F11,F12

SUB F13,F13,F7

SUB F14,F14,F15


1

ER1 ER2 + -

ER3 ER4 * /

2 - 31 2 - 3 4

2 - 4 5 - 62 5 - 6 RAW 7

3 4 - 23 24

3 4 - 23

4 7 - 8 RE 9

4 - 6 7 - 8

24 - 43 RAW

RE5 44

5 - 23 24 - 43

6 9 - 10 RE 11

6 - 8 9 - 10

7 12 - 13 RAW 14

7 - 11 12 - 13

51

Método de Tomasulo


SUB F1,F2,F3

ADD F4,F1,F3

DIV F5,F6,F7

ADD F3,F8,F9

DIV F7,F3,F10

ADD F7,F11,F12

SUB F13,F13,F7

SUB F14,F14,F15


1

ER1 ER2 + -

ER3 ER4 * /

2 - 31 2 - 3 4

2 - 4 5 - 62 5 - 6 RAW 7

3 4 - 23 24

3 4 - 23

4 7 - 8 RE 9

4 - 6 7 - 8

24 - 43 RAW

RE5 44

5 - 23 24 - 43

6 9 - 10 RE 11

6 - 8 9 - 10

7 12 - 13 RAW 14

7 - 11 12 - 13

9 RE 11 - 12 RE 13

9 - 10 11 - 12

52

Método de Tomasulo


SUB F1,F2,F3

ADD F4,F1,F3

DIV F5,F6,F7

ADD F3,F8,F9

DIV F7,F3,F10

ADD F7,F11,F12

SUB F13,F13,F7

SUB F14,F14,F15


1

ER1 ER2 + -

ER3 ER4 * /

2 - 31 2 - 3 4

2 - 4 5 - 62 5 - 6 RAW 7

3 4 - 23 24

3 4 - 23

4 7 - 8 RE 9

4 - 6 7 - 8

24 - 43 RAW

RE5 44

5 - 23 24 - 43

6 9 - 10 RE 11

6 - 8 9 - 10

7 14

7 - 11 12 - 13

9 RE 11 - 12 RE 13

9 - 10 11 - 12

12 - 13 RAW

53

Método de Tomasulo


SUB F1,F2,F3

ADD F4,F1,F3

DIV F5,F6,F7

ADD F3,F8,F9

DIV F7,F3,F10

ADD F7,F11,F12

SUB F13,F13,F7

SUB F14,F14,F15


1

ER1 ER2 + -

ER3 ER4 * /

2 - 31 2 - 3 4

2 - 4 5 - 62 5 - 6 RAW 7

3 4 - 23 24

3 4 - 23

4 7 - 8 RE 9

4 - 6 7 - 8

24 - 43 RAW

RE5 44

5 - 23 24 - 43

6 9 - 10 RE 11

6 - 8 9 - 10

7 15

7 - 11 12 - 13

9 RE 11 - 12 RE 13

9 - 10 11 - 12

13 - 14 RAW

RE

7 - 12 13 - 14

54

Documents

4.PLANIFICACIÓN DINÁMICA DE INSTRUCCIONES 1. PLANIFICACIÓN DINÁMICA DE INSTRUCCIONES 1.El Concepto 2.Método del Marcador (Scoreboard) 3.Método de Tomasulo