Bài giảng Kiến trúc máy tính (Tạ Kim Huệ) Chương 4

Bộ xử lý đường ống Processor Pipelining Nội dung • So sánh tốc độ xử lý – Single ‐ cycle datapath (from the previous lecture) – Multi‐cycle – Pipelining • Kỹ thuật đường ống – Kỹ thuật đường ống gì? – Tại lại sử dụng kỹ thuật đường ống? • Xây dựng xử lý đường ống – Chia cắt từ xử lý đơn xung nhịp – Hoạt động MIPS pipeline – Điều khiển Pipeline Tốc độ xử lý (What limits our clock?) Thời gian thực thi đơn xung nhịp • Lệnh thực thi chậm lệnh có thời gian thực thi chu kỳ • Lãng phí thời gian Giải pháp: Bộ xử lý đa xung nhịp • Lệnh nhanh xác định tương ứng với chu kỳ • Lệnh chậm chiếm nhiều chu kỳ Cách tốt hơn? • Chia lệnh thành giai đoạn khác • Giai đoạn dài xác định tốc độ xử lý …Cần nhiều chu kỳ cho lệnh! Chia thành parts → đồng hồ nhanh 5x lần → cần nhiều 5x chu kỳ cho lệnh Ví dụ MIPS: giai đoạn đường ống Kỹ thuật có tốt khơng? Hoạt động đường ống Đây điều cần từ đường ống: sử dụng tất phần xử lý lệnh khác thời điểm Kỹ thuật đường ống gì? Một số ví dụ đời sống Chuyển tiếp liệu     Lấy kết thời điểm xuất sớm ghi pipeline nào, chuyển tiếp đến khối chức (VD ALU) mà cần kết chu kỳ đồng hồ Với khối chức ALU: đầu vào từ ghi pipeline không cần từ ID/EX cách  Thêm chọn vào trước đầu vào ALU  Nối liệu ghi Rd EX/MEM MEM/WB tới hoăc ghi pipeline Rs Rt thuộc giai đoạn EX  Thêm phần điều khiển phần cứng để điều khiển chọn Các khối chức khác cần thêm tương tự (VD DM) Với chuyển tiếp đạt CPI = có phụ thuộc liệu HUST-FET, 10/28/21 50 Giải xung đột: Chuyển tiếp liệu or $8,$1,$9 xor $4,$1,$5 HUST-FET, 10/28/21 Reg DM Reg DM Reg DM Reg ALU and $6,$1,$7 IM DM ALU sub $4,$1,$5 Reg ALU IM ALU O r d e r add $1, ALU I n s t r Giải xung đột liệu chuyển tiếp kết chúng sẵn sàng tới nơi cần IM IM Reg IM Reg Reg Reg DM 51 Reg Giải xung đột: Chuyển tiếp liệu or $8,$1,$9 xor $4,$1,$5 HUST-FET, 10/28/21 Reg DM Reg DM Reg DM Reg ALU and $6,$1,$7 IM DM ALU sub $4,$1,$5 Reg ALU IM ALU O r d e r add $1, ALU I n s t r Giải xung đột liệu chuyển tiếp kết chúng sẵn sàng tới nơi cần IM IM Reg IM Reg Reg Reg DM 52 Reg Minh họa triển khai chuyển tiếp sub $4,$1,$5 and $6,$7,$1 Reg IM DM Reg DM Reg ALU IM ALU O r d e r add $1, ALU I n s t r IM EX forwarding HUST-FET, 10/28/21 Reg Reg DM Reg MEM forwarding 53 Xung đột liệu chuyển tiếp  add $1,$1,$4 HUST-FET, 10/28/21 Reg IM DM Reg DM Reg ALU add $1,$1,$3 IM ALU O r d e r add $1,$1,$2 ALU I n s t r Một loại xung đột liệu xuất chuyển tiếp: Xung đột kết lệnh giai đoạn WB lệnh giai đoạn MEM – kết cần chuyển tiếp? IM Reg Reg DM Reg 54 Xung đột liệu có lệnh lw xor $4,$1,$5 DM Reg DM Reg DM Reg DM Reg ALU $8,$1,$9 Reg ALU or IM DM ALU O r d e r and $6,$1,$7 sub $4,$1,$5 Reg ALU $1,4($2) ALU lw ALU IM I n s t r IM IM Reg IM Reg IM HUST-FET, 10/28/21 Reg Reg 55 Reg DM Xung đột liệu có lệnh lw or $8,$1,$9 xor $4,$1,$5  Reg DM Reg DM Reg DM Reg ALU and $6,$1,$7 DM ALU sub $4,$1,$5 Reg ALU IM stall ALU $1,4($2) DM ALU O r d e r lw Reg ALU I n s t r IM IM IM Reg IM Reg IM Reg Reg Sẽ cần chu kỳ chờ có chuyển tiếp HUST-FET, 10/28/21 56 Reg DM Xung đột điều khiển  Khi địa lệnh không (i.e., PC = PC + 4); xuất có lệnh thay đổi dịng chương trình  Lệnh rẽ nhánh khơng điều kiện (j, jal, jr)  Lệnh rẽ nhánh có điều kiện (beq, bne)  Ngắt, Exceptions  Giải pháp  Tạm dừng (ảnh hưởng CPI)  Tín tốn điều kiện rẽ nhánh sớm tốt giai đoạn pipeline giảm số chu kỳ phải dừng  Rẽ nhánh chậm (Delayed branches - Cần hỗ trợ trình dịch)  Dự đoán hy vọng điều tốt nhất!  Xung đột điều khiển xảy ra, khơng có giải pháp giải hiệu chuyển tiếp xung đột liệu HUST-FET, 10/28/21 57 Lệnh nhảy: Cần chu kỳ dừng j target   Reg IM DM Reg DM Reg ALU O r d e r flush IM ALU j ALU I n s t r IM Giải xung đột lệnh nhảy cách chờ – flush Reg Reg DM Reg Lệnh nhảy không giải mã giai đoạn ID, cần lệnh xóa (flush)  Để xóa, đặt trường mã lệnh ghi pipeline IF/ID (làm trở thành lệnh noop) 10/28/21 58 LệnhHUST-FET, nhảy xuất – chiếm 3% số lệnh SPECint Xung đột điều khiển lệnh rẽ nhánh IM lw Inst HUST-FET, 10/28/21 Reg IM DM Reg DM Reg DM Reg ALU Inst Reg ALU O r d e r IM ALU beq ALU I n s t r IM Reg Reg DM Reg 59 Giải xung đột điều khiển lệnh rẽ nhánh flush flush HUST-FET, 10/28/21 DM Reg DM Reg IM IM IM Reg Reg IM Reg DM Reg DM Reg ALU Inst Reg Reg ALU beq target IM DM ALU flush Reg ALU IM ALU O r d e r beq ALU I n s t r Giải xung đột chờ– flush – ảnh hưởng CPI 60 Reg DM Giải xung đột điều khiển lệnh rẽ nhánh Inst  IM DM Reg DM Reg IM IM Fix branch hazard by waiting – flush Reg Reg Reg DM ALU beq target Reg ALU O r d e r flush IM ALU beq ALU I n s t r Reg DM Tính tốn điều kiện rẽ nhánh sớm tốt, tức giai đoạn giải mã  cần chu kỳ chờ HUST-FET, 10/28/21 61 Rẽ nhánh chậm  Nếu phần cứng cho rẽ nhánh nằm giai đoạn ID, ta loại bỏ chu kỳ chờ rẽ nhánh cách sử dụng rẽ nhánh chậm (delayed branches) – thực lệnh theo sau lệnh lệnh rẽ nhánh – rẽ nhánh có tác dụng sau lệnh  Trình dịch MIPS compiler chuyển lệnh an tồn (khơng bị ảnh hưởng lệnh rẽ nhánh) tới sau lệnh rẽ nhánh (vào khe trễ) Vì dấu rẽ nhánh chậm  Với pipeline sâu (nhiều giai đoạn), trễ rẽ nhánh tăng cần nhiều lệnh chèn vào sau lệnh rẽ nhánh  Rẽ nhánh chậm thay phương pháp khác tốn mềm dẻo (động) dự đoán rẽ nhánh  Sự phát triển IC cho phép có dự đốn rẽ nhánh tốn HUST-FET, 10/28/21 62 Sắp xếp lệnh rẽ nhánh chậm A Từ trước lệnh rẽ nhánh B Từ đích lệnh rẽ nhánh add $1,$2,$3 if $2=0 then delay slot becomes sub $4,$5,$6 add $1,$2,$3 if $1=0 then delay slot becomes if $2=0 then add $1,$2,$3    add $1,$2,$3 if $1=0 then sub $4,$5,$6 C Từ nhánh sai add $1,$2,$3 if $1=0 then delay slot sub $4,$5,$6 becomes add $1,$2,$3 if $1=0 then sub $4,$5,$6 TH A lựa chọn tốt nhất, điền khe trễ giảm I TH B , lệnh sub cần chép lại, tăng I TH B C, phải đảm bảo thực lệnh sub không ảnh hưởng không rẽ nhánh HUST-FET, 10/28/21 63 Tóm tắt  Các xử lý đại dùng kỹ thuật pipeline  Pipelining không làm giảm độ trễ nhiệm vụ đơn lẻ, giúp tăng thơng lượng tồn  Tăng tốc tiềm năng: CPI = đồng hồ nhanh, Tc nhỏ  Tốc độ đồng hồ bị hạn chế giai đoạn pipeline chậm   Các giai đoạn pipeline không cân làm giảm hiệu suất  Thời gian “làm đầy” pipeline thời gian “làm trống” pipeline ảnh hưởng đến độ tăng tốc pipeline sâu (nhiều giai đoạn) đoạn mã ngắn Cần phát giải xung đột  Dừng ảnh hưởng xấu tới CPI (làm CPI lớn giá trị lý tưởng 1) HUST-FET, 10/28/21 67 ... CPI stall HUST-FET, 10/28/21 IM DM Reg ALU and $6,$1,$7 ALU sub $4, $1,$5 Reg DM 47 Reg 1: 2: L1: 3: 4: 5: Ví dụ: Tính CPI cho chương trình add $t0, $t0, $s1 addi $s1, $s1, bne $s1, $s0, L1 IF... thời gian gây xung 10/28/21 44 đột  Reg Sử dụng ghi: Xung đột liệu $8,$1,$9 xor $4, $1,$5 Reg DM Reg DM Reg DM Reg ALU or IM DM ALU and $6,$1,$7 Reg ALU O r d e r sub $4, $1,$5 IM ALU add $1, ALU... tiếp? IM Reg Reg DM Reg 54 Xung đột liệu có lệnh lw xor $4, $1,$5 DM Reg DM Reg DM Reg DM Reg ALU $8,$1,$9 Reg ALU or IM DM ALU O r d e r and $6,$1,$7 sub $4, $1,$5 Reg ALU $1 ,4( $2) ALU lw ALU IM I