Lezione 1 – Motivazioni del ricorso alle strutture pipeline

Modulo 5 – U.D. 2 – Lez. 1
Lezione 1 – Motivazioni del ricorso
alle strutture pipeline
Architettura degli elaboratori I
Modulo 5 - Principali linee di evoluzione
architetturale
Unità didattica 2 - Strutture pipeline
Nello Scarabottolo
Università degli Studi di Milano - Ssri - CDL ONLINE
Formulazione del problema
• La CPU passa la sua esistenza a eseguire
istruzioni macchina;
• ogni istruzione macchina viene portata a
termine in diverse fasi:
• Fetch;
• Decode;
• Exec;
• Write Back;
• c'è poca sovrapposizione fra gli elementi
coinvolti nelle varie fasi.
Adottiamo una catena di montaggio (pipeline)
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Funzionamento di una CPU normale
fase della Control Unit
I0
Write Back
I1
WB0
WB1
E0
Exec
E1
D0
Decode
D1
F0
Fetch
F1
tempo
Funzionamento di una CPU pipeline
Control Unit attive
I0
F0
I3
I4
WB1
WB2
WB3
WB4
E0
E1
E2
E3
E4
E5
D0
D1
D2
D3
D4
D5
D6
F1
F2
F3
F4
F5
F6
F7
ECU
FCU
I2
WB0
WBCU
DCU
I1
tempo
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Efficacia della pipeline
Dopo il transitorio di avviamento, il tasso completamento
istruzioni (ICR: Instruction Completion Rate) delle due
CPU è:
ICRpipeline = NS × ICRnormal
[MIPS]
dove NS = n° di Stadi (Number of Stages) della pipeline.
In realtà, le fasi non hanno tutte durata esattamente
uguale:
ICRpipeline < NS × ICRnormal
[MIPS]
La singola istruzione impiega circa lo stesso tempo.
Struttura di una CPU pipeline
FCU
Fetch
Control
Unit
DCU
Decode
Control
Unit
PC
MAR
MDR
IR
ECU
WBCU
Exec
Control
Unit
Write Back
Control
Unit
ALU
GPR
SP
Data Bus
Address Bus
Control Bus
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In sintesi...
• Una struttura a catena di montaggio
(pipeline) consente di velocizzare
l'esecuzione aumentando il numero di
istruzioni macchina completate per unità di
tempo [MIPS].
• L'incremento di prestazioni è dovuto a un
intervento architetturale:
– la tecnologia di realizzazione dell'integrato quindi la frequenza di lavoro - non cambia.
Vedremo quali sono i problemi nell'esecuzione
di un programma reale.
Chiusura
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