Technische Informatik 1 Übung 6 Pipelining (Rechenübung) Andreas Tretter 24./25. November 2016

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1 Technische Informatik 1 Übung 6 Pipelining (Rechenübung) Andreas Tretter 24./25. November 2016

2 Aufgabe 1: Taktrate / Latenz TI1 - Übung 6: Pipelining

3 Einzeltakt-Architektur TI1 - Übung 6: Pipelining

4 Pipelining-Architektur TI1 - Übung 6: Pipelining

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 TI1 - Übung 6: Pipelining

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 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 TI1 - Übung 6: Pipelining

11 Aufgabe 2 Annahmen MIPS32-Architektur Kein branch delay slot Perfekte Sprungvoraussage $v0 mit 0 initialisiert MIPS Befehl: Instruktion Bedeutung slt $d, $s, $t $d ቊ 1 für $s < $t 0 sonst Zusatzaufgabe zu 2e: Warum wird die dort vorgeschlagene Konfiguration nicht auch im tatsächlichen MIPS verwendet?

12 Lösung Aufgabe 2.a Volles Forwarding Nur ALU-ALU Forwarding

13 Lösung Aufgabe 2.b Taktzyklen (volles Forwarding): (7+1) + 1 = 805 Taktzyklen (ALU-ALU-Forwarding): (7+2) + 1 = 905 Laufzeit (volles Forwarding): Laufzeit (ALU-ALU-Forwarding): ps = 161 ns ps = ns

14 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

15 Aufgabe 2.d ForwardA ForwardB

16 Lösung Aufgabe 2.d x (2) ForwardA ForwardB x (1) x (3)

17 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'; }

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

19 Lösung Aufgabe 2.e Zusatzaufgabe zu 2e: Warum wird die vorgeschlagene Konfiguration nicht auch im tatsächlichen MIPS verwendet? Der Offset vereinfacht häufige Aufgaben Stackvariablen: sw $s0, 8($sp) Strukturen: struct {int x; int y;} * ppt; ppt->y = 0; sw $zero, 4($t1) offset x y

20 Aufgabe 3: Sprung-Vorhersage TI1 - Übung 6: Pipelining

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 TI1 - Übung 6: Pipelining

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

24 Aufgabe Dynamische Vorhersage 2-Bit Prädiktor

25 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