Technische Informatik 1 Übung 7 Pipelining (Rechenübung) Balz Maag 22./23. November 2018

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1 Technische Informatik 1 Übung 7 Pipelining (Rechenübung) Balz Maag 22./23. November 2018

2 Aufgabe 1: Taktrate / Latenz

3 Einzeltakt-Architektur

4 Pipelining-Architektur

5 Pipelining-Architektur ps ps ps ps ps «Sowohl das Lesen als auch das Schreiben der Register erzeugt eine zusätzliche Verzögerung von jeweils 15 ps»

6 Lösung Aufgaben 1.a, 1.b 500ps IF ID EX MEM WB 100ps 120ps 90ps 130ps 60ps Langsamste Stufe Taktperiode Pipeline-Architektur: Taktperiode Einzeltakt-Architektur: 130 ps ps = 160 ps 100 ps ps= 500ps Ausführungszeit lw Pipeline-Architektur: Ausführungszeit lw Einzeltakt-Architektur: ps = 800 ps 500 ps

7 Lösung Aufgabe 1.c Taktzyklen IF ID EX MEM WB IF ID EX MEM WB IF ID EX MEM WB IF ID EX MEM WB IF ID EX MEM WB 100 Instr.... IF ID EX MEM WB Laufzeit Pipeline-Architektur: Laufzeit Einzeltakt-Architektur: Speedup: ( ) 160 ps = ns ps = ns 50 ns ns = 3.0

8 Lösung Aufgabe 1.d Alt: IF ID EX MEM WB 100ps 120ps 90ps 130ps 60ps Langsamste Stufe Neu: Langsamste Stufe IF ID EX M1 M2 WB 100ps 120ps 90ps 65ps 65ps 60ps Neue Taktperiode: 120 ps ps = 150 ps

9 Lösung Aufgabe 1.e Taktperiode: Laufzeit: 130 ps n 130 ps n ps Auffüllen der Pipeline ps (5n ) Anzahl Register: 5n 1 n = 5 n = 10 Taktperiode 56 ps 43 ps Laufzeit für 100 Instr ns ns Anzahl Register 24 49

10 Aufgabe 2: Daten-Hazards und Forwarding

11 Aufgabe 2 Annahmen MIPS32-Architektur Kein branch delay slot Perfekte Sprungvoraussage $v0 mit 0 initialisiert MIPS Befehl: Instruktion slt $d, $s, $t $d Bedeutung 1 für $s < $t 0 sonst

12 Aufgabe 2.a) Stall: Inhalt von $t0 ist erst nach MEM Stufe bekannt, wird aber bereits in EX benötigt Datenhazard! MEM-ALU Forwarding ALU-ALU Forwarding

13 Lösung Aufgabe 2.a Volles Forwarding +1 Zyklus Nur ALU-ALU Forwarding

14 Lösung Aufgabe 2.b Auffüllen der Pipeline 7 Instruktionen + 1 Stall jr $ra Taktzyklen (volles Forwarding): (7+1) + 1 = 805 Taktzyklen (ALU-ALU-Forwarding): (7+2) + 1 = 905 Laufzeit (volles Forwarding): ps = 161 ns Laufzeit (ALU-ALU-Forwarding): ps = ns

15 Lösung Aufgabe 2.c loop: lw $t0, 0($a0) addi $a0, $a0, 4 addi $a1, $a1, -1 slt $t1, $v0, $t0 beq $t1, $zero, l1 addi $v0, $t0, 0 l1: bne $a1, $zero, loop jr $ra $t0 ist in der EX-Stufe der slt-instruktion bereit kein Datenhazard $t1: ALU-ALU Forwarding

16 Aufgabe 2.d ForwardA ForwardB

17 Lösung Aufgabe 2.d Wird in Register geschrieben? x (2) ForwardA ForwardB Ergebnis aus MEM x (1) x (3) Welches Register wird beschrieben?

18 Lösung Aufgabe 2.d if ( EX/MEM.RegWrite = 1 and EX/MEM.RegisterRd!= 0 and EX/MEM.RegisterRd = ID/EX.RegisterRs) { ForwardA = '1'; } if ( EX/MEM.RegWrite = 1 and EX/MEM.RegisterRd!= 0 and EX/MEM.RegisterRd = ID/EX.RegisterRt) { ForwardB = '1'; }

19 Lösung Aufgabe 2.e IF ID EX-MEM WB loop: lw $t0, 0($a0)... Es gibt keine Stalls mehr Taktzyklen: = 704 Laufzeit: ps = ns

20 Aufgabe 3: Sprung-Vorhersage

21 Falsche Sprung-Vorhersage Sprung-Entscheidung nach MEM bekannt: Verzweigung Falsche Instruktionen Richtige Instruktion IF ID EX MEM WB IF ID EX 3 verlorene IF ID Taktzyklen Flush IF IF ID EX MEM WB Sprung-Entscheidung nach ID bekannt: Verzweigung Falsche Instruktion Richtige Instruktion IF ID EX MEM WB IF Flush IF ID EX MEM WB 1 verlorener Taktzyklus

22 Aufgabe 3 Sprung-Vorhersage Input: [5, 10, 8, 15, 7, 4, 22, 26, 3, 30] Programm: loop: lw $t0, 0($a0) slt $t1, $v0, $t0 beq $t1, $zero, l1 addi $v0, $t0, 0 l1: addi $a0, $a0, 4 addi $a1, $a1, -1 bne $a1, $zero, loop jr $ra

23 Lösung Aufgabe 3.1a) lw $t0, 0($a0) momentan maximaler Wert in Array $a0 Iteration $t $v $t Sprungentscheidung NT NT T NT T T NT NT T NT =1 if $v0<$t0, else =0 Es wird 4 von 10 Mal gesprungen =NT if $t1 = 1, else =T

24 Lösung Aufgabe 3.1 (Statische Vorhersage) a) Beste statische Sprung-Vorhersagen: beq: NOT TAKEN bne: TAKEN (weil Sprung 4 von 10 Mal ausgeführt) (weil Sprung 9 von 10 Mal ausgeführt) b) Sprung-Entscheidung nach MEM bekannt 1x bne Stall Taktzyklen: (7+1) + 4 (6+1+3) = 96 Laufzeit: ps = 19.2 ns c) Sprung-Entscheidung nach ID bekannt 4x falsche beq Entscheidung Taktzyklen: (7+1) + 4 (6+1+1) = 86 Laufzeit: ps = 19.8 ns

25 Aufgabe Dynamische Vorhersage 2-Bit Prädiktor

26 Lösung 3.2 detailiert Iteration $t $v $t a) Sprungentscheidung NT NT T NT T T NT NT T NT Zustand vor branch ST LT SNT LNT SNT LNT ST LT SNT SNT Sprungvorhersage T T NT NT NT NT T T NT NT Vorhersage korrekt nein nein nein ja nein nein nein nein nein ja

27 Lösung Aufgabe 3.2 Iteration der Schleife Zustand P1 vor beq ST LT SNT LNT SNT LNT ST LT SNT LNT Sprungvorhersage T T NT NT NT NT T T NT NT Sprungentscheidung NT NT T NT T T NT NT T NT Vorhersage korrekt nein nein nein ja nein nein nein nein nein ja beq Iteration der Schleife Zustand P2 vor bne SNT LNT ST ST ST ST ST ST ST ST Sprungvorhersage NT NT T T T T T T T T Sprungentscheidung T T T T T T T T T NT Vorhersage korrekt nein nein ja ja ja ja ja ja ja nein bne