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Circuitos Digitales II The General Computer Architecture The Pipeline Design Semana No.11 Semestre 2008-2 Prof. Gustavo Patiño Prof.

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1 Circuitos Digitales II The General Computer Architecture The Pipeline Design Semana No.11 Semestre Prof. Gustavo Patiño Prof. Eugenio Duque Departamento de Ingeniería Electrónica Facultad de Ingeniería

2 Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia Some Unsolved Questions When we defined multicycle, did we also define pipeline ? Multicycle is pipeline ? Or, pipeline is multicycle ? So, what does translate pipeline ? What conditions must be met by the inter-stage registers in order to guaranty pipeline ? What is the relation between pipeline and parallelism? Currently, which are the trends in the pipeline paradigm ?

3 Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia Pipeline La segmentación de instrucciones es similar al uso de una cadena de montaje en una fábrica de manufacturación. En las cadenas de montaje, el producto pasa a través de varias etapas de producción antes de tener el producto terminado. Cada etapa o segmento de la cadena está especializada en un área específica de la línea de producción y lleva a cabo siempre la misma actividad. Esta tecnología es aplicada en el diseño de procesadores eficientes. A estos procesadores se les conoce como pipeline processors o procesadores con segmentación encausada.

4 Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia

5 Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia

6 Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia

7 Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia

8 Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia The Pipelined MIPS Processor

9 Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia Sequential Versus Pipelined Execution

10 Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia Speed Advantage of the Pipeline

11 Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia Pipeline Stages

12 Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia Overlapped Pipeline Execution

13 Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia Single-Cycle Datapath

14 Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia Single-Cycle Datapath with Pipeline Registers

15 Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia Instruction Process Through Pipeline (1)

16 Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia Instruction Process Through Pipeline (2)

17 Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia Instruction Process Through Pipeline (3)

18 Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia Instruction Process Through Pipeline (4)

19 Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia Instruction Process Through Pipeline (5)

20 Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia Adding Control

21 Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia Full Pipeline Design with Control Lines

22 Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia Example: The Pipeline in Action

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34 Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia Pipeline Processor Operation Summary

35 Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia

36 Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia Problems to be analyzed in the next class Hazards Data Hazard Control Hazard Solutions Forwarding Stalls Problems with Branch

37 Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia Hazards

38 Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia Hazards (…cont)

39 Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia Data Hazard in the Pipeline

40 Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia Control Hazard in the Pipeline

41 Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia Forwarding as a Solution to Data Hazards

42 Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia Forwarding Unit in the Pipeline

43 Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia Forwarding Unit Operation

44 Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia Stalls

45 Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia Result of Stall Approach

46 Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia Departamento de Ing. Electrónica Circuitos Digitales II Universidad de Antioquia Result of Stall Approach (…cont)


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