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Superescalares Scheduling estático
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Introducción La CPU ejecuta las instrucciones en orden. El compilador:
Puede cambiar el orden de ejecución. Genera el paquete de emisión. Trata de prevenir o reducir los peligros de datos y de control. Paquete de emisión (issue packet): el conjunto de instrucciones que se emiten juntas en un ciclo de reloj. Universidad de Sonora Arquitectura de Computadoras
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Introducción La mayoría de CPUs móviles (tipo ARM) son superescalares con scheduling estático. Universidad de Sonora Arquitectura de Computadoras
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Ejemplo Considerar una CPU MIPS superescalar con scheduling estático y doble emisión. Limitación: solo una instrucción puede ser de tipo R o brinco y la otra puede ser una carga o un store. El paquete de emisión tiene 64 bytes (2 instrucciones). La instrucción R o de brinco se pone primero y luego la instrucción de memoria. Universidad de Sonora Arquitectura de Computadoras
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Ejemplo Si el paquete no se puede completar, la instrucción faltante se reemplaza con una instrucción nop (no operation). Fuente: COD 5, p. 335. Universidad de Sonora Arquitectura de Computadoras
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Peligros La forma de tratar los peligros depende de cada arquitectura.
En algunas arquitecturas: El compilador quita todos los peligros insertando nops si es necesario. No hay detección de peligros por hardware ni detenciones (stalls). Universidad de Sonora Arquitectura de Computadoras
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Peligros En otras arquitecturas:
El hardware detecta peligros de datos y genera detenciones entre dos paquetes de emisión. El compilador evita todas las dependencias entre cada pareja de instrucciones. Universidad de Sonora Arquitectura de Computadoras
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Datapath Datapath doble emisión: 1 R/B 1 Mem. Fuente: COD 5, p. 336.
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Explicación En cada ciclo se obtienen 2 instrucciones.
En cada ciclo se leen hasta 4 registros: 2 de la instrucción R o beq. 1 de la instrucción lw o 2 de sw. Hay 2 ALUs: 1 para la instrucción R/beq. 1 para instrucción lw/sw. La memoria de datos no cambia (en cada ciclo solo hay máximo una instrucción de acceso a memoria). Universidad de Sonora Arquitectura de Computadoras
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Explicación En cada ciclo hasta dos instrucciones necesitan escribir registros: Instrucciones R. Instrucciones lw. La carga sigue teniendo una latencia de uso de 1. El siguiente paquete de emisión a una carga no puede depender de su registro de destino. Universidad de Sonora Arquitectura de Computadoras
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Ejemplo Dado el siguiente código en una CPU MIPS de doble emisión y scheduling estático: loop: lw $t0, 0($s1) # t0 = elemento de arreglo addu $t0, $t0, $s2 # le suma s2 sw $t0, 0($s1) # lo guarda de nuevo addi $s1, $s1, # decrementa el índice bne $s1, $zero, loop Mostrar como se emite el código. Suponer que los brincos se predicen y que el hardware maneja los peligros de control. Universidad de Sonora Arquitectura de Computadoras
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Ejemplo Las instrucciones se reordenan para evitar al máximo los peligros de datos. Los espacios representan instrucciones nop. ALU Mem Ciclo loop: lw $t0, 0($s1) 1 addi $s1, $s1, 4 2 addu $t0, $t0, $s2 3 bne $s1, $zero, loop sw $t0, 4($s1) 4 Universidad de Sonora Arquitectura de Computadoras
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Ejemplo Las 5 instrucciones se ejecutan en 4 ciclos.
CPI = 0.8 IPC = 1.25 Lo ideal es CPI = 0.5 y, por lo tanto, IPC = 2. Importante: los nops no se cuentan. Universidad de Sonora Arquitectura de Computadoras
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Loop unrolling Técnica de compilación que consiste en extender (desenrollar) un ciclo. De esta forma se pueden emitir juntas instrucciones de distintas iteraciones. Universidad de Sonora Arquitectura de Computadoras
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Loop unrolling en C Dado el siguiente código en C:
for (int i = 0; i < 4; i++) { a[i] = b[i] + c[i]; } Desenrollar el ciclo significa hacer: a[0] = b[0] + c[0]; a[1] = b[1] + c[1]; a[2] = b[2] + c[2]; a[3] = b[3] + c[3]; Universidad de Sonora Arquitectura de Computadoras
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Ciclo original en MIPS li $t5, 0 # i = 0
loop: beq $t5, 4, fin # if i == 4 goto fin lw $t0, 0($s0) # s0 apunta a B[i] lw $t1, 0($s1) # s1 apunta a C[i] add $t2, $t0, $t1 sw $t2, 0($s2) # s2 apunta a A[i] addi $s0, $s0, 4 # apunta a B[i + 1] addi $s1, $s1, 4 # apunta a C[i + 1] addi $s2, $s2, 4 # apunta a A[i + 1] Universidad de Sonora Arquitectura de Computadoras
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Ciclo original en MIPS addi $t5, $t5, 1 # i++ j loop
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Loop unrolling en MIPS lw $t0, 0($s0) # s0 apunta a B[0]
lw $t1, 0($s1) # s1 apunta a C[0] add $t2, $t0, $t1 sw $t2, 0($s2) # s2 apunta a A[0] lw $t3, 4($s0) # s0 + 4 apunta a B[1] lw $t4, 4($s1) # s1 + 4 apunta a C[1] add $t5, $t3, $t4 sw $t5, 4($s2) # s2 + 4 apunta a A[1] Universidad de Sonora Arquitectura de Computadoras
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Loop unrolling en MIPS lw $t6, 8($s0) # s0 + 8 apunta a B[2]
lw $t7, 8($s1) # s1 + 8 apunta a C[2] add $t8, $t6, $t7 sw $t8, 8($s2) # s2 + 8 apunta a A[2] lw $s3, 12($s0) # s apunta a B[3] lw $s4, 12($s1) # s apunta a C[3] add $s5, $s3, $s4 sw $s5, 12($s2) # s apunta a A[3] Universidad de Sonora Arquitectura de Computadoras
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Loop unrolling Ventajas:
Se quita la instrucción beq y se evitan los peligros de control. Las distintas iteraciones son independientes entre si y sus instrucciones se pueden reordenar. Desventaja: Los registros pueden ser insuficientes para desenrollar un ciclo grande. Esto se puede evitar desenrollando el ciclo parcialmente. Universidad de Sonora Arquitectura de Computadoras
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Loop unrolling parcial
Ciclo original en C: for (int i = 0; i < 20; i++) { a[i] = b[i] + c[i]; } Ciclo en C desenrollado parcialmente: for (int i = 0; i < 20; i += 4) { a[i] = b[i] c[i]; a[i + 1] = b[i + 1] + c[i + 1]; a[i + 2] = b[i + 2] + c[i + 2]; a[i + 3] = b[i + 3] + c[i + 3]; Universidad de Sonora Arquitectura de Computadoras
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Ejemplo Repetir el ejemplo anterior:
loop: lw $t0, 0($s1) # t0 = elemento de arreglo addu $t0, $t0, $s2 # le suma s2 sw $t0, 0($s1) # lo guarda de nuevo addi $s1, $s1, # decrementa el índice bne $s1, $zero, loop Suponiendo que el índice del ciclo es múltiplo de 4. Universidad de Sonora Arquitectura de Computadoras
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Ejemplo Fuente: COD 5, p. 338. Universidad de Sonora
Arquitectura de Computadoras
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Explicación Ahora hay 4 copias de lw, addu y sw. Un addi y un bne.
Hay 3 temporales extras $t1, $t2 y $t3. Estos temporales son para evitar introducir dependencias de nombre entre grupos de lw/addu/sw. Ahora son 14 instrucciones y se ejecutan en 8 ciclos. CPI = 8 / 14 = 0.57 IPC = 1.75. Universidad de Sonora Arquitectura de Computadoras
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Explicación El CPI está cerca del ideal de 0.5.
El costo es usar 4 registros temporales en vez de 1 y utilizar 14 instrucciones en vez de 5. Universidad de Sonora Arquitectura de Computadoras
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