Tubulação de instrução

Vantagens e desvantagens da canalização

Vantagens do Pipelining:

1. O tempo de ciclo do processador é reduzido; aumentando o rendimento da instrução. A tubulação não reduz o tempo necessário para completar uma instrução; em vez disso, aumenta o número de instruções que podem ser processadas simultaneamente ("de uma só vez") e reduz o atraso entre instruções completadas (chamado 'throughput').
   Quanto mais estágios de pipeline um processador tiver, mais instruções ele pode processar "de uma só vez" e menos atraso há entre as instruções concluídas. Todo microprocessador de
    uso geral predominante fabricado hoje usa pelo menos 2 estágios de gasoduto de até 30 ou 40 estágios.
2. Se for usada tubulação, a unidade lógica Aritmética da CPU pode ser projetada mais rapidamente, mas será mais complexa.
3. Em teoria, a tubulação aumenta o desempenho sobre um núcleo sem tubulação por um fator do número de estágios (assumindo que a freqüência do relógio também aumenta pelo mesmo fator) e o código é ideal para a execução da tubulação.
4. As CPUs pipeline geralmente trabalham com uma freqüência de clock mais alta do que a freqüência de clock da RAM (a partir das tecnologias de 2008, as RAMs trabalham com baixas freqüências em comparação com as freqüências das CPUs) aumentando o desempenho geral dos computadores.

Desvantagens de Pipelining:

A tubulação tem muitas desvantagens, embora existam muitas técnicas usadas por CPUs e compiladores projetistas para superar a maioria delas; o seguinte é uma lista de inconvenientes comuns:

1. O projeto de um processador não compactado é mais simples e mais barato de fabricar, o processador não compactado executa apenas uma única instrução de cada vez. Isto evita atrasos nas filiais (em Pipelining, cada filial é atrasada), bem como problemas quando as instruções em série são executadas simultaneamente.
2. No processador de tubulação, a inserção de flops entre os módulos aumenta a latência das instruções em comparação com um processador não de tubulação.
3. Um processador não compactado terá um rendimento de instrução definido. O desempenho de um processador encanado é muito mais difícil de prever e pode variar muito para diferentes programas.
4. Muitos projetos incluem gasodutos de até 7, 10, 20, 31 e até mais etapas; uma desvantagem de um gasoduto longo é quando um programa se ramifica, todo o gasoduto deve ser enxaguado (limpo). O maior rendimento dos dutos fica aquém quando o código executado contém muitas ramificações: o processador não pode saber antecipadamente onde ler a próxima instrução, e deve esperar que a instrução da ramificação termine, deixando a tubulação vazia. Esta desvantagem pode ser reduzida ao prever se a instrução de uma ramificação condicional irá ramificar-se com base na atividade anterior. Depois que a ramificação for resolvida, a próxima instrução tem que percorrer todo o caminho através do gasoduto antes que seu resultado fique disponível e o processador retome o "trabalho" novamente. Em tais casos extremos, o desempenho de um processador encanado pode ser pior do que o de um processador não encanado.
5. Infelizmente, nem todas as instruções são independentes. Em uma simples tubulação, completar uma instrução pode exigir 5 etapas. Para operar com desempenho total, esta tubulação precisará executar 4 instruções independentes subseqüentes enquanto a primeira estiver sendo concluída. Qualquer uma dessas 4 instruções pode depender da saída da primeira instrução, fazendo com que a lógica de controle da tubulação espere e insira um ciclo de relógio de espera ou desperdiçado na tubulação até que a dependência seja resolvida. Felizmente, técnicas como o encaminhamento podem reduzir significativamente os casos em que a paralisação é necessária.
6. Os programas de auto-modificação podem falhar em executar corretamente em uma arquitetura encanada quando as instruções que estão sendo modificadas estão próximas às instruções que estão sendo executadas. Isto pode ser causado pelo fato de as instruções já estarem na fila de entrada Prefetch, portanto a modificação pode não ter efeito para a próxima execução das instruções. As caches de instruções tornam o problema ainda pior.
7. Perigos: Quando um programador (ou compilador) escreve um código de montagem, eles geralmente assumem que cada instrução é executada antes da próxima instrução estar sendo executada. Quando esta suposição não é validada por encanamento, faz com que um programa se comporte incorretamente, a situação é conhecida como um perigo. Existem
   várias técnicas para resolver os perigos ou trabalhar ao redor, tais como o encaminhamento e o atraso (inserindo uma barraca ou um ciclo de relógio desperdiçado).

Exemplos

Gasoduto genérico

À direita está um gasoduto genérico com quatro etapas:

1. Buscar
2. Decodificar
3. Executar
4. Escreva de volta

A caixa cinza superior é a lista de instruções esperando para ser executada; a caixa cinza inferior é a lista de instruções que foram concluídas; e a caixa branca do meio é a tubulação.

A execução é a seguinte:

Hora	Execução
0	Quatro instruções estão esperando para serem executadas
1	a instrução verde é obtida de memória
2	a instrução verde é decodificada a instrução roxa é retirada da memória
3	a instrução verde é executada (a operação real é executada) a instrução roxa é decodificada a instrução azul é buscada
4	os resultados da instrução verde são escritos de volta ao arquivo de registro ou memória a instrução roxa é executada a instrução azul é decodificada a instrução vermelha é buscada
5	a instrução verde é completada a instrução púrpura é escrita de volta a instrução azul é executada a instrução vermelha é decodificada
6	A instrução roxa é completada a instrução azul é escrita de volta a instrução vermelha é executada
7	a instrução azul é completada a instrução vermelha é escrita de volta
8	a instrução vermelha é completada
9	Todas as instruções são executadas

Bolha

Quando ocorre um "soluço" (interrupção) na execução, é criada uma "bolha" na tubulação na qual nada de útil acontece. No ciclo 2, a busca da instrução roxa é atrasada e o estágio de decodificação no ciclo 3 contém agora uma "bolha". Tudo por trás da instrução roxa também é atrasado, mas tudo na frente da instrução roxa continua com a execução.

Claramente, quando comparado com a execução acima, a bolha produz um tempo total de execução de 8 ticks em vez de 7.

As bolhas são como bancas (atrasos), nas quais nada de útil acontecerá para buscar, decodificar, executar e escrever de volta. É como um código NOP (abreviação de No OPeration).

Exemplo 1

Uma instrução típica para adicionar dois números poderia ser ADD A, B, C, que adiciona os valores encontrados nos locais de memória A e B, e depois coloca o resultado no local de memória C. Em um processador encanado, o controlador do gasoduto dividiria isso em uma série de tarefas semelhantes a:

LOAD A, R1 LOAD B, R2 ADD R1, R2, R3 STORE R3, C LOAD próxima instrução

Os locais 'R1' e 'R2' são registros na CPU. Os valores armazenados em locais de memória rotulados como 'A' e 'B' são carregados (copiados) nestes registros, depois adicionados, e o resultado é armazenado em um local de memória rotulado como 'C'.

Neste exemplo, a tubulação é composta de três etapas: carga longa, execução e armazenamento. Cada uma das etapas são chamadas etapas de gasoduto.

Em um processador não compactado, apenas uma etapa pode estar trabalhando de cada vez, de modo que toda a instrução tem que ser concluída antes que a próxima instrução possa começar. Em um processador encanado, todas as etapas podem estar trabalhando de uma só vez em instruções diferentes. Assim, quando esta instrução estiver no estágio de execução, uma segunda instrução estará no estágio de decodificação e uma terceira instrução estará no estágio de fetch.

Exemplo 2

Para entender melhor o conceito, podemos olhar para um gasoduto teórico de 3 estágios:

Estágio	Descrição
Carga	Ler instrução de memória
Executar	Executar instrução
Loja	Armazenar resultado em memória e/ou registros

e uma listagem de montagem de pseudo-códigos a serem executados:

É assim que seria executado:

Relógio 1
Carga	Executar	Loja
CARREGAR

A instrução LOAD é obtida de memória.

Relógio 2
Carga	Executar	Loja
MOVE	CARREGAR

A instrução LOAD é executada, enquanto a instrução MOVE é buscada na memória.

Relógio 3
Carga	Executar	Loja
ADD	MOVE	CARREGAR

A instrução LOAD está na etapa de Store, onde seu resultado (o número 40) será armazenado no registro A. Enquanto isso, a instrução MOVE está sendo executada. Como deve mover o conteúdo de A para B, deve aguardar o término da instrução LOAD.

Relógio 4
Carga	Executar	Loja
ARMAZENAGEM	ADD	MOVE

A instrução STORE é carregada, enquanto a instrução MOVE está terminando e a ADD está calculando.

E assim por diante. Note que, às vezes, uma instrução dependerá do resultado de outra (como nosso exemplo MOVE). Quando mais de uma instrução faz referência a um determinado local para um operando, seja lendo-o (como uma entrada) ou escrevendo-o (como uma saída), a execução dessas instruções em uma ordem diferente da ordem original do programa pode levar à situação de perigo (mencionada acima).

Duto genérico de 4 estágios; as caixas coloridas representam instruções independentes uma da outra


Uma bolha no ciclo 3 atrasa a execução

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