Arquitectura Introducción Paralelismo de grano muy fino

Arquitectura Introducción Paralelismo de grano muy fino
Paralelismo en la familia 80x86

Paralelismo. Introducción y generalidades
Paralelismo producido internamente dentro de la CPU Paralelismos a nivel de máquina

Introducción al paralelismo
Introducción y generalidades Definición y conceptos asociados al paralelismo.

Paralelismo producido internamente dentro de la CPU Estructura pipeline. Arquitectura RISC. Arquitecturas superescalar y supersegmentada. Aplicación a las familias de Intel 80x86 y Pentium.

Paralelismos a nivel de máquina Máquinas para el aprovechamiento del paralelismo de datos. Multiprocesadores. Arquitecturas específicas diseñadas para ámbitos de aplicación concretos.

Necesidades de mayor capacidad de computación: Tratamiento de complejos modelos matemáticos (meteorología, ecología, bioquímica, …) Manejo masivo de datos en tiempo real, fundamentalmente aplicables al campo de las comunicaciones. Explotación de grandes bases de datos; extracción de patrones y tendencias de los datos. Aplicaciones multimedia: imágenes de alta definición, música de alta fidelidad, reconocimiento del lenguaje hablado... Inteligencia artificial y sistemas expertos.

Mejora de la capacidad de computación: Aumento de la velocidad (frecuencia de funcionamiento de los circuitos electrónicos). Limitaciones tecnológicas y físicas. Uso del Paralelismo. Paralelismo: Capacidad de una máquina para simultanear acciones. Vinculado al aumento del rendimiento de la máquina (velocidad, capacidad de proceso).

Exclusiones: Simultaneidad entre acciones de CPU y periféricos (Operaciones en segundo plano). Redundancia en procesos para conseguir fiabilidad.

Estructuras que producen el paralelismo: Unidades funcionales: Cada parte de una máquina capaz de realizar acciones indpendientemente del resto. Configuración de las UFs. Pipeline (segmentada). Paralela. Pseudopipeline.

Configuración pipeline:

Configuración pipeline: Conexión en cascada, cada unidad recibe como entrada la salida de la anterior. Acciones uniformes en fases y tiempos. Solapa el tiempo de proceso de las acciones. Una acción finalizada en cada intervalo si la cadena está llena.

Configuración paralela:

Configuración paralela: Las entradas y las salidas son comunes a todas las unidades. UFs sincronizadas. Las acciones se realizan completas en cada UF. Conflicto: acceso a recursos compartidos.

Configuración pseudopipeline:

Configuración pseudopipeline : Conexión de UFs en paralelo. Desfase en la entrada de acciones de n ciclos ( al menos 1). Resultado indistinguible de PIPELINE. Reduce conflictos de PARALELA pero obtiene peor respuesta en el tiempo.

Conflictos del paralelismo, tipos : Desajustes de tiempo: Diferentes tiempos entre diferentes UFs. Imponen parones en el pipeline. Accesos a recursos compartidos: Afectan fundamentalmente a configuraciones paralelas. Dependencias: Afectan a la simultaneidad de acciones. De operandos De saltos (condicionales e incondicionales)

Conflictos del paralelismo: Parón en un pipeline

Grado de paralelismo: Número de acciones simultáneas que se realizan. Aplicable a la máquina o a parte de ella. El máximo lo establece el número de unidades funcionales existentes. Queda limitado por las características de la aplicación en curso.

Eficiencia: Relación entre el Grado de paralelismo conseguido y la capacidad teórica de paralelismo de la máquina. El aumento de UFs, aumenta los conflictos y disminuye la eficiencia. Se trabaja con valores medios.

Grano de paralelismo: Tamaño de cada una de las acciones en las que se divide el proceso para su realización simultánea. Clasificación cualitativa: Muy grueso: programas. Grueso: subprogramas, tareas hijas, ... Fino: instrucción. Muy fino: fases de instrucción. Clasificación cualitativa: Medido en nº de instrucciones

Tipos de paralelismo: En función de quién especifique las acciones que se pueden realizar simultáneamente. Explícito: El propio programa identifica las acciones (programación concurrente). Implícito: No lo especifica el programa sino la máquina. Por azar: Acciones independientes. Entorno multiusuario. Extraído por la máquina (compilador).

Fuentes de paralelismo: Control. Diferentes acciones que se pueden realizar simultáneamente.

Fuentes de paralelismo: Datos. Misma acción sobre un conjunto estructurado de datos.

Fuentes de paralelismo: Flujo. Mismos procesos sobre una gran conjunto de datos.

Clasificación de Flynn: También conocida como taxonomía de Flynn Surge en los principios de los 70 Aunque no es definitiva para caracterizar todos los tipos de ordenadores se sigue utilizando como una primera aproximación para definir un ordenador. Concibe al ordenador como un conjunto de unidades de cjto. de uds. de control y proceso. Esas uds. reciben flujos de instrucciones y de datos.

Clasificación de Flynn: Computadora SISD: (Single instruction (flow), single data(flow). Sistemas clásicos de monoprocesadores.

Clasificación de Flynn: Computadora SIMD: (Single instruction (flow), multiple data(flow). Sistemas vectoriales y matriciales.

Clasificación de Flynn: Computadora MISD: (Multiple instruction (flow), single data(flow). Enunciado de forma teórica. Se discute si hay alguna máquina de este tipo. Quizás los ordenadores sistólicos

Clasificación de Flynn: Computadora MIMD: (Multiple instruction (flow), multiple data(flow). Pertenecen a esta categoría los sistemas pluriprocesadores.

Clasificación de Flynn:

Paralelismo de grano muy fino
RISC vs. CISC: Años 80. Implantación de modelos de control del rendimiento. Nueva tecnología RISC: Simplificar la unidad de control para mejorar su eficiencia. Tecnología CISC: La existente hasta el momento. Instrucciones muy complejas, a veces específicas y muy numerosas. Salto semántico. Reducción de los ciclos de fetch. Tamaño del programa.

Procesadores CISC: Consecuencias. Compiladores simples. Unidades de control complejas, microprogramadas. Bajo rendimiento en cadenas pipeline.

Procesadores CISC: Ejecución de una instrucción:

Procesadores CISC: Lectura de los operandos:

Procesadores CISC: Almacenamiento del resultado:

Procesadores CISC: Pipeline de dos etapas (instrucciones poco homogéneas): Conflicto de desajuste de tiempos. Conflicto de acceso a recursos. Conflicto de dependencia de saltos. No hay conflicto de dependencia de operandos.

Procesadores CISC: Pipeline de seis etapas: Máquinas de una sola dirección sin direccionamiento indirecto ni ejecución múltiple. Pasos 3, 5, y 9 una sola vez. Pasos 4, 7 y 8 desaparecen.

Procesadores CISC: Pipeline de seis etapas, conflictos: Desajustes de tiempos. Inevitables. No usar toda las UFs. Tipo de instrucciones o dir. Fallos de caché. Acceso a recursos: FE, LO y ER acceden a memoria Sol: Más registros, caché doble pto., doble caché. Dependencia de operandos: Requiere identificación para evitar errores, reduce el rendimiento. Operandos registros: Bit de bloqueo. Operandos en memoria: Lista de direcciones bloqueadas. Dependencia de saltos.

Proc. CISC. Dependencia de operandos: Ejemplo: A + B  A C + (A + 8)  C

Proc. CISC. Dependencia de saltos: Saltos incondicionales: Identificación temprana, más simple. Durante FE o LO. Saltos condicionales: Incertidumbre. Pérdida de rendimiento. Salto retardado (Se verá en procesadores RISC). Flujos múltiples. Precaptar destino del salto. Buffer de bucles. Predicción de salto.

Proc. CISC. Dependencia de saltos: Flujos múltiples. Duplicar primeras etapas del pipeline. Se opta por los dos caminos y cuando se ejecuta la instrucción se descarta el camino fallido. A veces más de dos caminos para trabajar con instrucciones de salto condicional encadenadas. Aumento significativo de los conflictos de acceso a los recursos (memoria). Eliminación de la mayoría de los huecos debidos a saltos.

Proc. CISC. Dependencia de saltos: Precaptar destino del salto. Leer la siguiente instrucción y la del destino del salto. Se limita a la fase de fetch de ambas instrucciones. Reduce el hueco en el pipeline.

Proc. CISC. Dependencia de saltos: Buffer de bucles. Similar a una cola de Prefetch pero de mayor tamaño. Se pone en marcha al detectar un salto condicional hacia atrás (típico de los bucles). Se pretende mantener en la cola todas las instrucciones del bucle. Si sobra espacio se almacenan también las instrucciones que siguen al bucle. Importante ahorro de ciclos de fetch en bucles pequeños.

Proc. CISC. Predicción de saltos: Optar por una alternativa: Saltar / No saltar. Si acierta sigue, si no deshacer proceso realizado (FE, DE, CD y LO). Criterios estáticos, no depende de la historia anterior. No cumple condición. Alternativa más simple. Cumple condición. Mantener antiguo PC. Decisión según el código de operación. Instr. bucle. Evaluación previa de la condición. Ayuda del compilador. Consideraciones: Dirección del salto. Entornos paginados y saltos de página.

Proc. CISC. Predicción de saltos: Saltos dinámicos, depende de la historia anterior. Conmutador saltar/ no saltar. Asignación de un estado a cada instrucción de salto. Al ejecutarla se observa el resultado, que podrá cambiar de nuevo el estado. Tabla de historias de saltos (BHT). Similar al anterior, almacena además del estado la dirección de destino del salto. Mayor tamaño de la tabla y no aplicable a todos los direccionamientos.

Proc. CISC. Predicción de saltos: Saltos dinámicos, diferentes ejemplos:

Procesadores RISC. Justificación: Instrucciones complejas poco utilizadas. Set amplio y complejo  Mayor dificultad de optimización. Instrucciones y operandos largos  posible mayor uso de memoria a pesar del menor número de instrucciones. Ciclos de fetch más largos y cambios de página frec. Efectividad pipeline mermada por los desajustes de tiempos. Solución: Conjunto de instrucciones simples, uniformes, generales y poco numerosas.

Procesadores RISC. Principios generales: Aumentar el número de registros internos del micro. Esto reduce los conflictos de acceso a memoria y el tiempo empleado. Optimizar diseño del pipeline para mejorar su rendimiento. Una instrucción por ciclo. Evitar conflictos y desajustes de tiempos. Conjunto de instrucciones limitado, sencillo y homogéneo. Única manera de mejorar el pipeline.

Procesadores RISC. Características: Instrucciones de mismo tamaño (32 bits) y mismo formato. Facilita diseño decodificador y control de ajuste de tiempos. Unidad de control cableada. Mejora de la eficiencia. Pocos modos de direccionamiento de memoria. No al direccionamiento indirecto. Máximo un operando en memoria. Instrucciones de proceso (ALU) sólo con registros. Operandos en memoria siempre alineados.

Procesadores RISC. Consecuencias: Compiladores más elaborados. Programas con mayor número de instrucciones más cortas. Aumento del rendimiento. Poder despachar una instrucción ejecutada en cada ciclo de reloj.

Procesadores RISC. Ficheros de registros. Se usan en algunas CPUs Además registros globales y de coma flotante. Normalmente entre 8 y 16 niveles. Al desbordarlo se usa la Memoria Principal.

Procesadores RISC. Pipeline. Instrucciones que acceden a memoria: Lectura y decodificación de la instrucción. Calculo de la dirección del operando. Lectura o escritura del operando. Instrucciones que NO acceden a memoria: Ejecución.

Procesadores RISC. Pipeline. Conflictos: Desajustes de tiempos: Minimizados. Accesos a memoria: Sólo en F/D y L/EO. Dependencias de operandos: Sólo entre registros. Dependencias de saltos: Como en CISC y además salto retardado.

Procesadores RISC. Salto retardado: Intercambiar la instrucción de salto con la anterior a ella. Siempre se ejecutará la instrucción posterior al salto. Se evita el vaciado del pipeline. No aplicable si: Hay dos instrucciones de salto seguidas. Salto es destino de varios orígenes. La instrucción modifica la condición de salto. En estos casos se añade una instrucción NOP al salto.

Procesadores RISC. Salto retardado:

Procesadores RISC. Salto retardado ejemplos: En un sistema que usa la técnica del salto y con la siguiente secuencia de instrucciones en el programa fuente: [I1] Instrucción que no es de salto [I2] Instrucción de comparación A-B [I3] Salto condicional si A>B [I4] Instrucción que no es de salto ¿Qué haría el compilador? El compilador inserta una instrucción NOP dado que la instrucción I2 fija la condición de salto a seguir por I3, estas no pueden alterar su orden, por lo tanto, la secuencia que debería haber generado el compilador sería: [I1] [I2] [I3] NOP [I4]

Procesadores RISC. Salto retardado ejemplos: En un sistema que usa la técnica del salto y con la siguiente secuencia de instrucciones en el programa fuente: [I1] Instrucción que no es de salto [I2] Salto incondicional a eti1 [I3] Salto condicional a eti2 [I4] Instrucción que no es de salto ¿Qué haría el compilador? La técnica del salto retardado se aplica tanto a los condicionales como a los incondicionales, por lo tanto, la secuencia que debería haber generado el compilador sería: [I2] [I1] [I3] NOP [I4].

Arq. superescalar y supersegmentada. Arq. superescalar: Más de un pipeline trabajando en paralelo. Algún pipeline puede ser de tipo específico. El grado de la arquitectura es igual al de pipelines. Si no hay conflictos se despachan tantas instrucciones como pipelines hayan disponibles. Arq. supersegmentada: Consiste en desdoblar en subfases las acciones que duren menos de un ciclo (medio ciclo). Grado de la arquitectura: instrucciones que se pueden finalizar en un ciclo.

Arq. superescalar y supersegmentada. Arquitectura superescalar

Arq. superescalar y supersegmentada. Arq. supersegmentada

Arq. superescalar y supersegmentada. • EJECUCIÓN DESORDENADA DE INSTRUCCIONES: Reduce la pérdida de rendimiento por dependencias de operandos. Aprovechar los tiempos muertos de las etapas de la CPU con instrucciones posteriores mientras no se altere el resultado Existen distintas alternativas según la fase en la que se admita el desorden (emisión, será necesario un buffer, o ejecución)

Arq. superescalar y supersegmentada. • EJECUCIÓN DESORDENADA DE INSTRUCCIONES :

Arq. superescalar y supersegmentada. • EJECUCIÓN DESORDENADA DE INSTRUCCIONES: FD1 y FD2 son etapas de prefetch y decodificación. EJ1 y EJ2 son unidades de ejecución de enteros y EJ3 de coma flotante. ER1 y ER2 representan escritura de resultado. Secuencia de instrucciones: I1 .. I9. Instrucciones de 3 ciclos de duración, 1 por etapa, salvo I1 que requiere dos ciclos en la fase de ejecución. I3 e I4 operan con datos en coma flotante. I5 e I6 presentan dependencia de operandos.

Arq. superescalar y supersegmentada. • PSEUDODEPENDENCIAS DE OPERANDOS: Ejecución ordenada.

Arq. superescalar y supersegmentada. • PSEUDODEPENDENCIAS DE OPERANDOS: Ejecución desordenada en escritura de resultados.

Arq. superescalar y supersegmentada. • PSEUDODEPENDENCIAS DE OPERANDOS: Ejecución desordenada en emisión de instrucciones y ER.

Paralelismo en la familia 80x86
Arq. superescalar y supersegmentada. • PSEUDODEPENDENCIAS DE OPERANDOS:  Dependencia real (escritura/lectura): operando de Ik es resultado de Ii. Se pueden producir siempre que haya ejecución paralela. R1 + R2  R3 (Ii) R3 + R4  R5 (Ik)  Pseudodependencia de salida (escritura/escritura): Ik e Ii escriben sobre el mismo operando.  Antidependencia (lectura/escritura): Ii lee un operando que debe escribir Ik.  Las pseudodependencias se resuelven con la técnica de renombrado de registros

Arq. superescalar y supersegmentada. • PSEUDODEPENDENCIAS DE OPERANDOS:  Dependencia real (escritura/lectura): operando de Ik es resultado de Ii. Se pueden producir siempre que haya ejecución paralela. Ii  R1 + R2  R3 Ik  R3 + R4  R5

Arq. superescalar y supersegmentada. • PSEUDODEPENDENCIAS DE OPERANDOS:  Pseudodependencia de salida (escritura/escritura): Ik e Ii escriben sobre el mismo operando. Ik  R4 + R5  R3 Ii  R1 + R2  R3 Se resuelve con la técnica de renombrado de registros

Arq. superescalar y supersegmentada. • PSEUDODEPENDENCIAS DE OPERANDOS:  Antidependencia (lectura/escritura): Ii lee un operando que debe escribir Ik. Ik  R4 + R5  R1 Ii  R1 + R2  R3 Sólo se produce si en la ejecución desordenada se ejecuta Ik antes que Ii Se resuelve con la técnica de renombrado de registros

Intel EU BIU Unidad de Control ALU Registros Propósito general e índices Registros de segmento ALU Cálculo de direcciones Cola de Prefetch Paralelismo: Mientras se ejecutan instrucciones en la EU (Execution Unit) se calculan direcciones de operandos y se producen ciclos de fetch adelantados en la BIU (Bus Interface Unit).

Intel 80386 Pipeline: 4/6 etapas según criterio. Hasta 4 instrucciones en ejecución. MMU Memory Management Unit. Gestiona las tareas de segmentación y paginación.

Intel 80486 Prefetch: 5/9 etapas según criterio. Hasta 6 instrucciones en ejecución. Decodificador con lógica cableada para instr. simples y microprogramado para las complejas.

Coprocesadores matemáticos Circuitos inicialmente externos, cooperan con la CPU. Leen las instrucciones a la vez que la CPU. Si una instrucción es de coprocesador la ejecutan. Si la instruccion tiene operandos en la memoria, la CPU calcula y vuelca su dirección. Trabaja en paralelo con la CPU. Si la CPU debe esperar al coprocesador, se inserta la instrucción FWAIT.

Procesadores CRISC. Disponen de características de CISC y de RISC. intel dispone de un núcleo cableado y otro microprogramado. El cableado ejecuta las que se definen como core instructions. Puede despachar una de estas instrucciones ejecutada a cada ciclo de reloj. Resto de instrucciones en el núcleo microprogramado requieren múltiples ciclos de reloj.

Intel Pentium Arquitectura superescalar de grado 2 (Pipes U y V). Ejecución ordenada. Doble caché. Unidad predicción saltos. Prefetch 128 bytes. Pipeline 5 etapas. MMU no representada.

Intel Pentium Pro Arquitectura superesc. de grado 3. Ejecución desordenada. Doble caché L1 y L2. Unidad predicción saltos. Prefetch 128 bytes. Pipeline 5 etapas. MMU no representada.

Intel Pentium Pro Dispone de 3 decodificadores de instrucciones que trabajan de forma ordenada. Convierten las instrucciones en secuencias de microoperaciones. Instrucciones 'simples'  conversión rápida. Instrucciones 'complejas'  conversión por medio de un microprograma. Las microoperaciones se almacenan en el Instruction Pool. 5 Unidades de ejecución. 2 de enteros 2 de como flotante 1 de lectura de memoria. Retiran las operaciones de forma desordenada.

Intel Pentium Pro Ejemplo: mem  regtemp (1 op.) mem + reg  mem regtemp + reg  regtemp2 (1op) regtemp2  mem (2 op.) Registros 'alias': 40 registros de uso interno asignados por los decodificadores a las microoperaciones. Retire Unit: Permite ir retirando las operaciones del Instruction Pool e ir escribiendo los resultados en los destinos correspondientes.

Intel Pentium Pro BTB: Branch Target Buffer. Almacena la dirección de las instrucciones de salto, la historia relacionada con ella (estado) y la dirección de destino. Si no se ha ejecutado nunca se usa una predicción estática: que se saltará si el salto es incondicional o hacia atrás en otro caso se decide no saltar.

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