Pipeline: Peligros de datos

Presentación del tema: "Pipeline: Peligros de datos"— Transcripción de la presentación:

1 Pipeline: Peligros de datos
Forwarding versus Stalling

2 Dependencias Considerar el siguiente código: sub $2, $1, $3
and $12, $2, $5 or $13, $6, $2 add $14, $2, $2 sw $15, 100($2) Las instrucciones 2 a 5 dependen de $2. Universidad de Sonora

3 Pipeline Suponer lo siguiente:
$2 vale 10 antes de la resta y -20 después. No hay bypass (forwarding). Se puede escribir y leer (en ese orden) un registro en el mismo ciclo. Universidad de Sonora

4 Pipeline Los peligros son las líneas que van hacia atrás en el tiempo.
Universidad de Sonora

5 Bypass El resultado de la resta está listo al final de la etapa EX.
Los peligros se resuelven si en cuanto esté listo el resultado se envía a las siguientes instrucciones. Ahora se verá cómo se realiza este envío. El primer paso es detectar los peligros. Universidad de Sonora

6 Formatos de instrucción
Fijarse en los nombres de los registros del formato R. Fuente: Universidad de Sonora

7 Condiciones para peligros
1a. EX/MEM.RegisterRd = ID/EX.RegisterRs. 1a. EX/MEM.RegisterRd = ID/EX.RegisterRt. 2a. MEM/WB.RegisterRd = ID/EX.RegisterRs. 2b. MEM/WB.RegisterRd = ID/EX.RegisterRt. Universidad de Sonora

8 Pipeline Aquí se pueden los registros del pipeline y entender las condiciones para peligros Universidad de Sonora

9 Ejemplo Para el ejemplo: sub $2, $1, $3 and $12, $2, $5
La condición es: EX/MEM.RegisterRd = ID/EX.RegisterRs = $2. Y por lo tanto hay un peligro. Universidad de Sonora

10 Ejemplo Clasificar los peligros en el siguiente código: sub $2, $1, $3
and $12, $2, $5 or $13, $6, $2 add $14, $2, $2 sw $15, 100($2) El peligro sub-and es de tipo 1a: EX/MEM.RegisterRd = ID/EX.RegisterRs = $2. El peligro sub-or es de tipo 2b: MEM/WB.RegisterRd = ID/EX.RegisterRt = $2. Universidad de Sonora

11 Ejemplos Las dependencias sub-add y sub-sw no generan peligros.
Universidad de Sonora

12 Consideraciones Hay que tomar en cuenta que no todas las instrucciones escriben en el banco de registros. Por ejemplo beq $t0, $t1, etiqueta add $s0, $t0, $t1 No genera dependencias ni peligros. Esto se resuelve checando si la señal RegWrite va a estar activa en la etapa WB. Universidad de Sonora

13 Consideraciones También tomar en cuenta que si el registro destino es $zero ($0) el resultado debe ser siempre cero. Por ejemplo: add $zero, $t0, $t1 sub $s0, $zero, $s1 El resultado de la suma es cero sin importar los valores de $t0 y $t1. La suma no debe enviar el valor de $t0 + $t1 a la resta. Universidad de Sonora

14 Consideraciones Esto se resuelve revisando el número del registro:
Hay que agregar: EX/MEM.RegisterRd != 0 a la primera condición. MEM/WB.RegisterRd != 0 a la segunda condición. Universidad de Sonora

15 Pipeline con bypass Con lo anterior se pueden detectar los peligros.
Falta ver cómo se implementa la unidad de bypass (o unidad de forwarding). Universidad de Sonora

16 Pipeline con bypass Universidad de Sonora

17 Unidad de bypass Se necesita que las entradas de la ALU puedan venir de otros registros, no sólo de ID/EX. Se colocan multiplexores (muxes) en las entradas de la ALU. Universidad de Sonora

18 Datapath sin bypass Fuente: COD 5, p. 309 Universidad de Sonora

19 Datapath con bypass Fuente: COD 5, p. 309 Universidad de Sonora

20 Líneas de control Fuente: COD 5, p. 310 Universidad de Sonora

21 Unidad de bypass La unidad de bypass está en la etapa EX porque ahí están los multiplexores de la ALU. Hay que pasar los operandos: Campo rt (bits [20:16]). Campo rs (bits [25:21]). Universidad de Sonora

22 Condiciones Se actualizan las condiciones para detectar peligros:
Universidad de Sonora

23 Peligro EX if (EX/MEM.RegWrite and (EX/MEM.RegisterRd != 0) and (EX/MEM.RegisterRd = ID/EX.RegisterRs)) then ForwardA = 10 and (EX/MEM.RegisterRd = ID/EX.RegisterRt)) then ForwardB = 10 Universidad de Sonora

24 Peligro MEM if (MEM/WB.RegWrite and (MEM/WB.RegisterRd != 0)
and (MEM/WB.RegisterRd = ID/EX.RegisterRs)) then ForwardA = 01 and (MEM/WB.RegisterRd = ID/EX.RegisterRt)) then ForwardB = 01 Universidad de Sonora

25 Condiciones Las condiciones para el peligro MEM están incompletas.
Ocurre si hay un peligro de datos entre: El resultado de la instrucción en la etapa WB. El resultado de la instrucción en la etapa MEM. El operando fuente en la etapa EX. Universidad de Sonora

26 Condiciones Por ejemplo, considerar el siguiente código: add $1, $1 $2
… Todas las instrucciones leen y escriben el mismo registro. Hay que actualizar las condiciones para el peligro MEM. Universidad de Sonora

27 Peligro MEM if (MEM/WB.RegWrite and (MEM/WB.RegisterRd != 0) and not (EX/MEM.RegWrite and (EX/MEM.RegisterRd != 0) and (EX/MEM.RegisterRd != ID/EX.RegisterRs)) and (MEM/WB.RegisterRd = ID/EX.RegisterRs)) then ForwardA = 01 Universidad de Sonora

28 Peligro MEM if (MEM/WB.RegWrite and (MEM/WB.RegisterRd != 0) and not (EX/MEM.RegWrite and (EX/MEM.RegisterRd != 0) and (EX/MEM.RegisterRd != ID/EX.RegisterRt)) and (MEM/WB.RegisterRd = ID/EX.RegisterRt)) then ForwardB = 01 Universidad de Sonora

29 Datapath con bypass Fuente: COD 5, p. 311 Universidad de Sonora

30 Zoom de EX y MEM Fuente: COD 5, p. 312 Universidad de Sonora

31 Tema avanzado Agregar un bypass del registro MEM/WB a la etapa MEM.
Con esto se evitan stalls en una serie de instrucciones lw/sw. Ejemplo: una secuencia para copias memoria/memoria. Universidad de Sonora

32 Tema avanzado lw $t0, 0($s0) sw $t0, 0($s1) lw $t0, 4($s0) sw $t0, 4($s1) lw $t0, 8($s0) sw $t0, 8($s1) … Universidad de Sonora

33 Detención (stall) En la siguiente secuencia: lw $t0, 0($s0)
add $t2, $t0, $t1 El peligro de datos no puede resolverse por bypass. Por ejemplo: Universidad de Sonora

34 Detención (stall) Fuente: COD 5, p. 313 Universidad de Sonora

35 Detención (stall) Se necesita detener (stall) el pipeline por un ciclo. Esto se logra insertando una instrucción nop (no operand) entre lw y add. Se necesita una unidad de detección de peligros. Universidad de Sonora

36 Detención (stall) La unidad opera en la etapa ID. La condición es:
If (ID/EX.MemRead and ((ID/EX.RegisterRt = IF/ID.RegisterRs) or (ID/EX.RegisterRt = IF/ID.RegisterRt))) detén (stall) el pipeline. Universidad de Sonora

37 Detención (stall) La instrucción después de la carga se debe volver a leer al siguiente ciclo. En la detención ni el registro PC ni el registro del pipeline IF/ID deben cambiar. El nop se puede lograr poniendo todas las señales de control de las etapas EX, MEM y WB en 0. Universidad de Sonora

38 Cómo se inserta un nop Cómo se inserta un nop. Fuente: COD 5, p. 315
Universidad de Sonora

39 Explicación La instrucción AND se convierte en nop.
Las instrucciones, comenzando con AND, se retrasan 1 ciclo. El AND y el OR repiten en el ciclo 4 lo que habían hecho en el 3. El AND vuelve a leer decodificarse y leer registros. El OR se vuelve a sacar de la memoria de instrucciones. Universidad de Sonora

40 Pipeline La unidad de detección de peligros (HDU) se agrega al pipeline. La unidad de bypass controla los muxes de la ALU. La HDU controla: La escritura a los registros PC y IF/ID. El mux que selecciona entre los valores reales de las señales y puros ceros. La HDU detiene el pipeline y pone las señales de control en 0 si se cumple la condición vista antes. Universidad de Sonora

41 Pipeline Fuente: COD 5, p. 316. Universidad de Sonora