Procesamiento segmentado - INFORME
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El documento describe los conceptos de segmentación y procesamiento segmentado en los procesadores. La segmentación divide el procesamiento de instrucciones en varias etapas para permitir la ejecución simultánea de múltiples instrucciones. Los procesadores segmentados aplican esta técnica mediante la descomposición de la ejecución de instrucciones en etapas como búsqueda, decodificación, lectura de operandos y escritura. La supersegmentación divide aún más estas etapas para lograr mayores niveles de paralelismo.
Procesamiento segmentado - INFORME
- 1. Introducción Los procesadores segmentados sirven para mejorar el rendimiento sin necesidad de duplicar excesivamente el hardware. Se usaron por primera vez en los años 60 para los grandes sistemas (mainframes) de altas presentaciones, y fueron muy importantes en los años 80 para el enfoqué RISC1del diseño de computadores (la mayoria de técnicas RISC se relacionan con el objetivo de conseguir una buena segmentación). El Intel i486 fue la primera implementación segmentada de la arquitectura IA32. La segmentación se utiliza mucho actualmente para el desarrollo de juegos de instrucciones del procesador. Actualmente, la tendencia es lograr segmentaciones más profundas para obtener frecuencias de reloj muy altas. Es un método muy eficaz para obtener un mayor rendimiento. Procesamiento Segmentado
- 2. Segmentación: La segmentación (pipelining) es una técnica de implementación de procesadores que desarrolla el paralelismo a nivel de intrainstruccion. Mediante la segmentación se puede solapar la ejecucion de múltiples instrucciones. El procesamiento segmentado aprovecha la misma filosofía de trabajo de la fabricación en cadena: cada etapa de la segmentación (o segmento) completa una parte (subtarea) de la tarea total. Los segmentos están conectados cada uno con el siguiente, de forma que la salida de uno pasa ser la entrada del siguiente. La segmentación es como una línea de ensamblaje cada etapa de la segmentación completa una parte de la instrucción. Como en una línea de ensamblaje de automóviles, el trabajo que va a realizar una instrucción se descompone en partes más pequeñas, cada una de las cuales necesita una fracción del tiempo necesario para completar la instrucción completa. Cada uno de estos pasos se define como etapa de la segmentación o segmento. Las etapas están conectadas, cada una a la siguiente, para formar una especie de cauce2. Las instrucciones entran por un extremo, son procesadas a través de las etapas y salen por el otro extremo. Lo más importante de la segmentación es que las diferentes subtarea pueden procesarse de forma simultánea, aunque se sobre diferentes datos. Una contribución clave de la segmentación es la posibilidad de comenzar una nueva tarea sin necesidad de que la anterior se haya terminado.
- 3. La medida de la eficacia de un procesador segmentado no es el tiempo total transcurrido desde que se comienza una determinad tarea hasta que se termina (tiempo de latencia del procesador), sino el tiempo máximo que puede pasar entre la finalización de dos tareas consecutivas. Considérese una tarea, compuesta por n subtarea. Si estas subtarea se procesan de forma totalmente, el tiempo necesario para procesar la tarea total será la suma de los tiempos necesarios para la terminación de cada una de las subtarea En este esquema, Tij representa la subtarea j dentro de la tarea i. Por otra parte, para comenzar el tratamiento de una nueva tarea será necesario esperar ese mismo tiempo. Esto se debe a que habrá algunas unidades funcionales que serán necesarias para llevar a cabo varias de las subtarea y por ello esas subtareas no podrán superponerse en el tiempo Si para procesar esa misma tarea, se emplea un procesador segmentado, basta que se haya terminado la primera subtarea para poder empezar a procesar una nueva tarea.
- 4. En la citada figura puede verse el continuo flujo de tareas que se van procesando a través de los n segmentos encargados de procesar cada una de las subtareas.
- 5. Procesador Segmentado: Un procesador segmentado es aquel que divide el proceso de ejecucion de una instrucción en N etapas de similar duracion con el objetivo de procesar N instrucciones simultáneamente, encontrándose cada una en una etapa diferente de su ejecucion. Conseguimos asi, que un procesador compuesto por N unidades funcionales que trabajan a la vez en circunstancias ideales, incremente su rendimiento en un factor de N. Las instrucciones fluyen secuencialmente por las distintas unidades funcionales del procesador de igual forma que el agua fluye por el cauce de una tubería, de ahí que en la jerga de la calle se les conozca como procesadores pipeline que significa tubería en inglés. Recordemos que: El modelo de segmentación más repetido en la primera mitad de los años 90 es el compuesto por las siguientes cinco etapas: Búsqueda de la instrucción Decodificación Lectura de operandos Ejecución de la operación asociada Escritura de su resultado.
- 6. El DLX es un microprocesador diseñado por John L. Hennessy y David A. Patterson presenta una ejecucion en cinco etapas, similares a las del microprocesador MIPS, también diseñado por John L. Hennessy en la Universidad de Stanford, buscando la filosofía de la segmentación. Estas 5 etapas son: IF: búsqueda ID: decodificación EX: ejecucion de unidad aritmético lógico MEM: memoria WB: escritura De esta manera, mientras el procesador escribe una instrucción, ejecuta simultáneamente las siguiente, busca los operandos de una tercera, decodifica una cuarta y busca en memoria una quinta instrucción, lográndose en un caso ideal una aceleración de cinco para el rendimiento del chip. Podemos observar en el siguiente grafico la ejecucion simultánea de cinco instrucciones distintas etapas en un procesador DLX
- 7. Todos los microprocesadores actuales se encuentran segmentados, habiendo aumentado el número de etapas con el paso de las generaciones. Asi, lo normal en la séptima generación es encontrarnos con cauces de ejecucion entera de 20 etapas de segmentación en el caso del Pentium IV (2003) de Intel o 31 etapas en los procesadores Prescott (2004) también de Intel La gran ventaja de la aplicación de la segmentación en el diseño de losmicroprocesadores es que el aumento del rendimiento se consigue con solo reorganizar las unidades funcionales existentes, por lo que no supone un incre mento de coste para la Unidad de Proceso. El diseño de la Unidad de Control sí se complica un poco a medida que aumenta el número de etapas y el grado de concurrencia en la ejecución d e las instrucciones pero es despreciable si lo comparamos con el espectacular i ncremento del rendimiento. Clasificación de los Procesadores Segmentado: Puede establecerse una clasificación de los procesadores segmentados atendiendo al uso que se da a la segmentación. Esta clasificación fue propuesta por Handler (1997). a) Segmentación aritmética b) Segmentación de instrucciones c) Segmentación de procesadores Segmentación aritmética La ALU de un computador puede segmentarse para la ejecucion de algoritmos aritméticos complejos. La segmentación aritmética es muy útil para procesar sobre todas las componentes de un vector, esto se consigue provocando que un segmento de la unidad aritmética trabaje
- 8. sobre una de las componentes mientras que las demás trabajan sobre las componentes siguientes Un ejemplo clásico de este tipo de procesadores es el multiplicador segmentado basado en un árbol de Wallace, tal como se muestra en la figura. En esta figura los bloques CSA representan a sumadores con salvaguarda de llevadas y los bloques CLA, a sumadores con generación anticipada de llevadas. Las líneas inclinadas hacia la izquierda indican que los vectores de llevadas deben desplazarse a la izquierda un lugar antes de entrar en la etapa siguiente.
- 9. Segmentación de instrucción La ejecución de un flujo de instrucciones puede adoptar una estructura segmentada que permita el solapamiento de la ejecución de una instrucción con la lectura, decodificación, búsqueda de operandos, etc. de las instrucciones siguientes. Esta técnica también se denomina anticipación de instrucciones (instru on lookahead). En la figura se muestra un ejemplo de segmentación de instrucciones. La citada figura corresponde a un computador de tipo registro-registro, es decir un computador en que los accesos a memoria están restringidos a instrucciones específicas (LOAD y STORE) Se supone que el computador dispone de arquitectura Harvard, es decir, que posee memorias cache separadas por codigo y datos En el ejemplo se ha dividido la ejecucion completa de casa instrucción en 4 segmentos A. Lectura. B. Decodificación y lectura de operandos. C. Ejecucion. D. Acceso a la memoria de datos (si es necesario). Prácticamente, todos los computadores actuales disponen de segmentación de instrucciones.
- 11. Segmentación de procesadores Este tipo de procesamiento se producecuando el mismo flujo de datos es tratado por una serie de procesadores, de forma que cada uno de ellos efectué una subtarea del proceso total. Cada procesador dejara sus resultados en una memoria, que también será accesible desde el siguiente, para que este procese esos resultados para ejecutar la siguiente subtarea sobre el flujo de datos. Este tipo de segmentación se emplea solamente en procesadores vectoriales de muy altas prestaciones. Superescalaridad La Superescalaridad consiste en la replicación de la circuitería de las unidades funcionales de un microprocesador, creando por lo tanto varios cauces (pipelines) de manera que se puedan ejecutar varias instrucciones a la vez. Procesador superescalar Un procesador superescalar de factor N es aquel que replica N veces la circuitería de algunas de sus unidades funcionales con el fin de poder ejecutar N instrucciones en sus respectivas etapas de computación. Con la mejora de la capacidad de integración de circuitos que permiten concentrar más y más componentes dentro de un chip, los diseñadores de microprocesadores también ha aumentado el factor de Superescalaridad, logrando, al igual que en la segmentación mejoras del rendimiento de un factor de N. Sin embargo el coste de incrementar el rendimiento mediante la Superescalaridad es superior al de la segmentación.
- 12. En el siguiente grafico se muestra la ejecucion en paralelo de 5 instrucciones cada una en su cauce o pipeline, lo que representa una Superescalaridad de factor 5. Combinación de segmentación y Superescalaridad Como se puede observarse en la figura, las filosofías de segmentación y Superescalaridad son perfectamente compatibles.
- 13. Sin embargo existen ciertos conflictos a la hora de poner en práctica simultáneamente ambas ideas, y es que cada técnica exige unos requisitos diferentes: La segmentación requiere una elevada frecuencia de forma que solo un periodo reloj muy corto permitirá descomponer cada instrucción en un número elevado de etapas. La Superescalaridad por el contrario necesita un ingente número de transistores para poder ser implementada.
- 14. Por lo tanto, la Superescalaridad estorba a la segmentación porque ésta provoca un desdoble de la circuitería existente, que perjudica la frecuencia de reloj, lo que dificulta el obtener un número elevado de etapas de segmentación. De igual forma la segmentación estorba a la Superescalaridad ya que cuando las etapas son tan minúsculas, es difícil incrementar la complejidad replicando la circuitería. Supersegmentacion La palabra Supersegmentacion nos lleva a la tentación de aplicar la ecuación superescalar + segmentado = supersegmentado, cuando en realidad la ecuación correcta es segmento + segmento = supersegmentado. La Supersegmentacion consiste en segmentar algunas de las etapas (en concreto las más lentas) que mencionamos para los procesadores segmentados, en dos o más etapas de manera que se permite que haya dos instrucciones a la vez dentro de la misma etapa y unidad funcional sin tener que replicar esta (Superescalaridad). De esta forma, dividiendo por ejemplo cada etapa en 2, el ciclo de reloj de periodo T se verá reducido a la mitad, T/2, de esta forma al máximo de capacidad el cauce o pipeline produce un resultado cada T/2 segundos. Procesadores Supersegmentacion Un procesador supersegmentado es aquel que aplica dos veces el concepto de segmentación, la primera al nivel de diseño global, y la segunda al nivel interno de sus unidades funcionales.
- 15. Por ejemplo una descomposición en 5 etapas de segmentación como la del Pentium compuesta por las etapas de búsqueda, decodificación, lectura, ejecucion y escritura, permite aplicar otra segmentación a cada una de las unidades funcionales que intervienen en cada ciclo como son: la cache de instrucciones, el decodificador de instrucción, la cache de datos, la ALU o el banco de registro. En el caso de la cache de instrucciones que es referenciada en la primera etapa, esta puede ser una cache segmentada en dos etapas, que permite simultanear la búsqueda de una instrucción y la localización de su celda de cache asociada, con la lectura del codigo de la anterior instrucción y su volcado al bus de datos del procesador. Asi se obtienen dos niveles de segmentación como se muestra en el apartado d) de la figura, en la que se comparan las 4 técnicas de paralelismo expuestas.
- 18. En general la Supersegmentacion lleva asociada la subdivisión del ciclo de reloj base en ciclos supersegmentado Tantos ciclos como etapas hayan establecido para el segundo nivel de segmentación, lo que desemboca en diseños que trabajan a muy alta frecuencia. Una buena implementación supersegmentado siempre incluye la ejecucion de instrucciones fuera de orden. La ejecucion de instrucciones fuera de orden es un paradigma utilizado en la mayoria de los microprocesadores de alto rendimiento por el cual, si una vez capturada una instrucción los operandos no están disponibles, para evitar esperas improductivas del procesador hasta que estén disponibles la instrucción se pone en un cola a la espera, de forma que otras instrucciones puedan abandonar la cola y ejecutarse si sus operando están disponibles. La ejecucion fuera de orden minimiza el efecto negativo que producen las esperas por dependencias de datos sobre el rendimiento del procesador pero para desarrollarla hace falta también implementar la Superescalaridad en los procesadores
- 19. Ejemplos de procesadores supersegmentado ALPHA 21264 Un clásico ejemplo de diseño supersegmentado es el procesador Alpha 21264 de Digital, procesador RISCde principios de la década de los 90 y hermano menor del Alpha 21364 de COMPAQ que fue el encargado de decodificar el genoma humano en la empresa Celera Genomic. El segundo nivel de segmentación de esta arquitectura incluye una descomposición en 9 etapas para el caso de la cache, lo que dio lugar a una frecuencia de reloj de 600 MHZ a finales de 1997, cuando en esa época los Pentium II y demás modelos para Pc operaban a menos de la mitad de esa frecuencia. Pentium IV Desarrollada en el 2000, está compuesto de 42.000.000 de transistores, funciona a una frecuencia de 2`4 GHz, con un FSB3de 400 MHZ. Presenta una Supersegmentacion de 20 etapasy ofrece 144 nuevas instrucciones para procesar video y audio, optimizando el rendimiento para las tecnologías modernas de Internet y visualización de gráficos en 3 dimensiones. A continuación un gráfico que muestra la ejecucion de 4 instrucciones en las 20 etapas supersegmentadas de un Pentium IV.