AOC?
Para evitar grandes títulos, ao decorrer dos posts, vou procurar utilizar siglas em vez dos nomes completos das disciplinas, mas os escrevendo por extenso no cabeçalho dos posts.
Então, começando:
Arquitetura e Organização de Computadores
Pipeline
Então, se você é da área, provavelmente já ouviu falar em Pipeline. Na aula de hoje aprendi o que é o Pipeline, conheci seus hazards e suas estratégias te otimização.
Em poucas palavras:
- O que é? Pipeline é a implementação de uma técnica para otimizar o processador .
- Como? O Pipeline é baseado em cliclos de clock para processar uma instrução. Cada instrução é quebrada em um número N de passos cada um guardando um valor que será usado como input no próximo passo. No Pipeline, essas instruções são sobrepostas de modo que a cada ciclo do clock, um passo de cada instrução seja executado (Fig. 1), evitando deixar componentes do processador ociosos. A performance do processador é aumentada proporcionalmente ao número de passos em que as instruções são quebradas.
Fig. 1 - Cada instrução possui 6 passos que são sobrepostos no Pipeline e executados a cada ciclo de clock de modo que a partir do 5o ciclo, a cada novo ciclo uma instrução é terminada.
Com mais detalhes:
Antes, vale a pena lembrar que:
Uma instrução em linguagem de montagem (Assembly) é formada por campos que guardam os dados necessários para a execução da instrução, geralmente apresentados como:
- Opcode (Código de Operação) – Código que em Assembly é representado por um mnemônico, ou abreviações como ADD, MOV, STOR, etc. e indica a operação que vai ser executada, tanto quanto o modo de endereçamento de operandos utilizado.
- N Campos de endereço – O número de campos de endereço dos operandos varia de acordo com a necessidade da operação. Geralmente de 0 a 3 operandos sendo eles o operando fonte, operando destino e dependendo da arquitetura do conjunto de instruções, uma referência à próxima instrução.
Fig. 2 - Diagrama do Ciclo de Instrução
De acordo com a Fig. 2, vemos que para cada passo da execução de uma instrução apenas um componente da CPU é utilizado, deixando todos os outros componentes ociosos, e isso é um grande desperdício de processador. Para resolver esse problema, o Pipeline foi introduzido na organização dos processadores.
Como visto na Fig. 1, o Pipeline é dividido em estágios de acordo com o ciclo de instrução. O número de estágios varia dependendo do tipo de processador, em nosso caso são 6:
- FI (Fetch Instruction) – Busca a próxima instrução e a armazena em um buffer.
- DI (Decodificar Instrução) – Determina o opcode e os operandos que serão usados.
- CO (Calcular Operandos) – Calcula o endereço dos operandos de origem baseado na forma de endereçamento usada na instrução.
- FO (Fetch Operands) – Busca cada operando da memória, de uma E/S (I/O) ou de um registrador.
- EI – Executa a operação indicada na instrução.
- WO (Write Operand) – Escreve o resultado na memória.
- No estágio 1, a instrução é buscada e armazenada. Já no estágio 2 o Decodificador é ativado para interpretar a instrução, enquanto o estágio 1 está buscando uma nova instrução. Quando os estágios 1 e 2 terminam, o estágio 2 passa para o estágio 3 e começa a calcular os operandos, o estágio 1 passa para o estágio 2 e começa a decodificar a instrução recém adquirida e o estágio 1 busca uma nova instrução. Mantendo sempre os componentes responsáveis por cada estágio trabalhando. Isso monta a escada de execução mostrada na Fig. 1.
- Se no pipeline várias instruções são executadas ao mesmo tempo, como o processador sabe quais vão ser essas próximas instruções?
- De modo geral, o pipeline carrega sempre a próxima instrução na sequência. Veja o trecho de código abaixo.
Fig. 3 - Desvio Condicional e Penalidade de Desempenho
Em uma situação como essa, no início na execução da instrução 3, o processador não tem nenhuma maneira de saber se o desvio será tomado ou não, então as instruções da sequência são executadas e ao fim da execução da instrução 3, se o desvio for tomado, todas as instruções entre 3 e 15 são removidas do pipeline e nenhuma instrução é executada entre os tempos t8 e t12. Isso é chamado de penalidade de desempenho.
Outras situações que resultam em perda de desempenho do pipeline ocorrem quando o pipeline ou alguma parte dele, precisa parar porque alguma condição não permite que ele continue. Essas ‘paradas’ são chamadas de bolhas e essas situações que causam de perda de desempenho no pipeline, o impedem de prosseguir ou o fazem computar incorretamente são chamadas de Hazards do Pipeline e são divididos em três tipos que serão detalhados no próximo post de AOC. Os três tipos de hazards são: recurso, dados e controle.
Até a próxima!
Caderno Geek 
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