Πανεπιστήμιο Θεσσαλίας Τμήμα Πληροφορικής

Transcript

1 Πανεπιστήμιο Θεσσαλίας Τμήμα Πληροφορικής 29 Δεκεμβρίου 2016 Δεύτερη Σειρά Ασκήσεων παράδοση: τέλος εξεταστικής Ιανουαρίου ή Σεπτεμβρίου Άσκηση 1 Θεωρήστε τη ΜΕΔ MIPS μερικά επικαλυπτόμενων εντολών που μελετήσαμε στο μάθημα. Υ- ποθέστε ότι οι εντολές διακλάδωσης εκτελούνται και ολοκληρώνονται στη φάση εκτέλεσης (Φ3) του κύκλου εντολής χωρίς κύκλο καθυστέρησης, ότι η ανάγνωση του ΦΚ γίνεται αμέσως μετά την εγγραφή του και στον ίδιο κύκλο μηχανής, και ότι δεν υπάρχουν δομικές εξαρτήσεις. Έστω ο πιο κάτω κώδικας MIPS, ο οποίος εκτελείται στην εν λόγω ΜΕΔ: lw $21,304($gp) L: lw $17,0($21) addu $9,$4,$17 lw $8,104($9) slt $10,$8,$18 Β1: bne $10,$0,T addu $10,$5,$17 lw $9,0($10) subu $8,$9,$8 lw $9,4($21) addu $8,$9,$8 sw $8,8($21) T: lw $21,12($21) Β2: bne $21,$0,L Η διακλάδωση της εντολής Β2 δημιουργεί βρόχο που εκτελεί επαναλήψεις, ενώ η διακλάδωση της εντολής Β1 εκτελεί άλμα σε ποσοστό 40% των επαναλήψεων του βρόχου. Α. Βρείτε όλες τις εξαρτήσεις από δεδομένα στον κώδικα, ως εξής: Να σχηματίσετε έναν πίνακα με γραμμές που αντιστοιχούν στις εντολές του κώδικα και στήλες που αντιστοιχούν στους καταχωρητές που μπορούν να συμμετέχουν σε εξαρτήσεις, και να σημειώσετε σ αυτόν τις λειτουργίες ανάγνωσης και εγγραφής του κάθε καταχωρητή για κάθε εντολή. Στη συνέχεια να εντοπίσετε και να δώσετε όλες τις εξαρτήσεις τύπου ΑΜΕ, ΕΜΑ και ΕΜΕ που βλέπετε, συμπεριλαμβανομένων αυτών που δρουν μεταξύ επαναλήψεων του βρόχου. Β. Ποιες από τις εξαρτήσεις που βρήκατε αποτελούν κίνδυνο στο μηχανισμό επικάλυψης, εάν η ΜΕΔ δε διαθέτει μηχανισμό παροχέτευσης; Υποθέτοντας ότι οι εντολές διακλάδωσης εκτελούνται με στατική πρόβλεψη με βάση το πρόσημο της μετατόπισης και ότι οι διευθύνσεις προορισμού των διακλαδώσεων υπολογίζονται στη φάση αποκωδικοποίησης (Φ2) του κύκλου εντολής, δώστε δύο διαγράμματα χρονισμού για την εκτέλεση του κώδικα στην περίπτωση αυτή, ένα για κάθε αποτέλεσμα της εντολής Β1. Με βάση τα διαγράμματα αυτά υπολογίστε την επιτάχυνση ρυθμού ολοκλήρωσης εντολών 1 στην παραπάνω ΜΕΔ, σε σύγκριση με την εκτέλεση σε ΜΕΔ του ίδιου κύκλου μηχανής αλλά χωρίς μηχανισμό μερικής επικάλυψης, όταν στη δεύτερη ΜΕΔ κάθε εντολή ολοκληρώνεται στον ελάχιστο αριθμό κύκλων μηχανής, σύμφωνα με το διάγραμμα καταστάσεων που μελετήσαμε στο μάθημα. 1 Ρυθμός ολοκλήρωσης εντολών (ΡΟΕ) = Αριθμός εντολών που ολοκληρώνουν την εκτέλεσή τους δηλαδή δεν ακυρώνονται για οποιονδήποτε λόγο στη μονάδα χρόνου. Επιτάχυνση ΡΟΕ = ΡΟΕ της ΜΕΔ που μελετάμε / ΡΟΕ της ΜΕΔ με την οποία συγκρίνουμε.

2 2 Γ. Θεωρήστε τώρα ότι η ΜΕΔ διαθέτει μηχανισμό παροχέτευσης για την αντιμετώπιση εξαρτήσεων από δεδομένα. Να επαναλάβετε τα παραπάνω: Εντοπίστε εξαρτήσεις που ακόμα αποτελούν κίνδυνο, δώστε τα διαγράμματα χρονισμού για την εκτέλεση του κώδικα, και υπολογίστε την επιτάχυνση ρυθμού ολοκλήρωσης εντολών σε σύγκριση με την ίδια ΜΕΔ χωρίς επικάλυψη. Πώς θα μπορούσατε να αντιμετωπίσετε τις εξαρτήσεις που παρέμειναν μετά την προσθήκη του μηχανισμού παροχέτευσης, χωρίς να παγώσετε το μηχανισμό επικάλυψης; Είναι δυνατό να εξαλειφτούν όλοι οι κίνδυνοι; Δείξτε πώς θα μπορούσατε να το επιτύχετε! Δ. Οι διαδικασιακές εξαρτήσεις εντοπίζονται σε εντολές που ακολουθούν κάποια εντολή διακλάδωσης και εκτελούνται μόνο στη μία κατεύθυνση της διακλάδωσης, αλλά όχι και στις δύο. Ποιες από τις εντολές που ακολουθούν τη Β1 στον παραπάνω κώδικα είναι διαδικασιακά ε- ξαρτημένες από αυτήν; Εάν η ΜΕΔ διαθέτει μηχανισμό παροχέτευσης για την αντιμετώπιση εξαρτήσεων από δεδομένα, αλλά και μηχανισμό δυναμικής πρόβλεψης διακλαδώσεων, δώστε τα διαγράμματα χρονισμού για την εκτέλεση του κώδικα, για όλους τους συνδυασμούς πρόβλεψης και αποτελέσματος εκτέλεσης της Β1. Στην πρόβλεψη εκτέλεσης άλματος, υποθέστε ότι η διεύθυνση προορισμού είναι διαθέσιμη αμέσως μετά τη φάση ανάκλησης (Φ1) από κατάλληλη μνήμη διευθύνσεων προορισμού. Αν η πρόβλεψη της Β1 έχει επιτυχία σε ποσοστό 75% για πρόβλεψη εκτέλεσης και σε ποσοστό 90% για πρόβλεψη μη εκτέλεσης, και αγνοώντας τις αποτυχίες στην πρόβλεψη της Β2, υπολογίστε την επιτάχυνση του ρυθμού ολοκλήρωσης εντολών σχετικά με την ίδια ΜΕΔ χωρίς επικάλυψη που αναφέρεται παραπάνω. Υπόδειξη: Το ποσοστό πρόβλεψης εκτέλεσης άλματος προκύπτει ως συνάρτηση του ποσοστού επιτυχίας πρόβλεψης και του ποσοστού εκτέλεσης του άλματος. Ε. Στο ερώτημα αυτό καλείστε να ξαναϋπολογίσετε τους μέσους ρυθμούς ολοκλήρωσης εντολών της επικαλυπτόμενης ΜΕΔ των παραπάνω ερωτημάτων Γ και Δ, αλλά χωρίς να στηριχτείτε στα διαγράμματα χρονισμού. Έτσι, για κάθε μία από τις δύο περιπτώσεις: (1) Να βρείτε το μέσο αριθμό κύκλων ανά εντολή (CPI), για καθέναν από τους τύπους εντολών που εμφανίζονται στον κώδικα. Ειδικότερα, μελετώντας τον κώδικα, βρείτε πόση επιβάρυνση έχετε ανά εντολή φόρτωσης από παγώματα λόγω κινδύνων δεδομένων, καθώς και πόση επιβάρυνση έ- χετε ανά εντολή διακλάδωσης από ακυρώσεις εντολών και παγώματα λόγω διαδικασιακών κινδύνων, με βάση τις πληροφορίες που δίνονται για την εκτέλεση των διακλαδώσεων. Το μέσο CPI ανά τύπο εντολής προκύπτει απλά προσθέτοντας την αντίστοιχη μέση επιβάρυνση στο ιδανικό CPI μιας επικαλυπτόμενης ΜΕΔ. (2) Να βρείτε τα ποσοστά εμφάνισης κάθε τύπου εντολής, και πάλι βασιζόμενοι στις πληροφορίες που δίνονται για την εκτέλεση των διακλαδώσεων. Στον υπολογισμό των ποσοστών αυτών δε συμμετέχουν εντολές που ακυρώνονται και επομένως δεν ολοκληρώνονται. (3) Υπολογίστε τώρα το συνολικό μέσο CPI, και από αυτό βρείτε το μέσο ρυθμό ολοκλήρωσης εντολών. Οι τιμές που βρήκατε θα πρέπει να επαληθεύουν τα αποτελέσματα των παραπάνω ερωτημάτων Γ και Δ. Άσκηση 2 Έστω η ΜΕΔ MIPS μερικά επικαλυπτόμενων εντολών που μελετήσαμε στο μάθημα, χωρίς παροχέτευση ή πρόβλεψη διακλαδώσεων, η οποία υποστηρίζει τις εντολές add, sub, addi, lw, sw, bne, beq, j και jr. Η ΜΕΔ αυτή ξαναδίνεται πιο κάτω, με μερικές συμπληρωματικές λεπτομέρειες όσο αφορά τη μεταφορά πληροφορίας μεταξύ των υπομονάδων της καθώς και μεταξύ των καταχωρητών επικάλυψης F, D, E και M. Η πληροφορία εξόδου για κάθε έναν από αυτούς τους καταχωρητές είναι η πληροφορία που αποθηκεύτηκε σε αυτόν στον προηγούμενο κύκλο μηχανής, και αφορά μόνο την εντολή που βρίσκεται στη φάση που περιορίζεται μεταξύ αυτού και του επόμενου καταχωρητή επικάλυψης. Για παράδειγμα, η τιμή 240 που είναι η τιμή εξόδου του πεδίου D.a είναι τιμή που αφορά την εντολή στη φάση εκτέλεσης (Φ3). Αντίστοιχα, η πληροφορία εισόδου αποθηκεύεται στο τέλος του παρόντος κύκλου, και αφορά μόνο την εντολή που βρίσκεται στη φάση που περιορίζεται μεταξύ αυτού και του προηγούμενου καταχωρητή επικάλυψης. Για παράδειγμα, η τιμή -2 που είναι η τιμή εισόδου του πεδίου D.b είναι τιμή που αφορά την εντολή στη φάση αποκωδικοποίησης (Φ2). Κάθε κύκλος εντολής θεωρείται ότι ξεκινά από τον PC και τελειώνει στο ΦΚ.

3 ΑΛΜ ΑΥΞ 3 Διακοπή Μ1 pcsel = 0 branch = 0 ΑΘΡ Μ1 = ΑΘΡ PC wrdis c1 Μονάδα memread = 0 memread = 1 c2 c2 memwrite = 1 memwrite = 0 M3 = M.c Ελέγχου c3 c3 c3 regwrite = 0 regwrite = F D E rg = 8 M ΜΔΜ & Αποθηκευμένο Πρόγραμμα pc ir pc a rs=3 Φάκελος Καταχωρητών Γενικού rt=4 Σκοπού -2 Μ2 b ir -16 Ζ c b 420 regwrite = rg = 4 ΜΔΜ & Αποθηκευμένα Δεδομένα dr c 12 Μ3 Ειδικότερα, οι γραμμές σημάτων ελέγχου που φεύγουν από τη ΜΕ και απεικονίζονται ως μία γραμμή για κάθε φάση επικάλυψης θεωρούνται ότι μεταφέρουν όσα ψηφία είναι απαραίτητα για κάθε φάση. Έτσι, η γραμμή c1 περιέχει ψηφία που απευθύνονται στη Φ3, η γραμμή c2 περιέχει ψηφία που απευθύνονται στη φάση προσπέλασης μνήμης (Φ4) και η γραμμή c3 περιέχει ψηφία που απευθύνονται στη φάση αποθήκευσης αποτελέσματος (Φ5). Τα ψηφία ελέγχου δίνονται συμβολικά ως πεδία των c1, c2 και c3 στον πίνακα που ακολουθεί. Για απλούστευση, στο διάγραμμα δεν έχουν μπει οι γραμμές ελέγχου των πολυπλεκτών. Γραμμή Πεδίο Ελέγχου Λειτουργία c1 c2 c3 Μ1 (PCSrc) branch Μ2 (ALUSrc) ALUop memread memwrite M3 (MemtoReg) regwrite rg Επιλογή διεύθυνσης από D.ir (προορισμός άμεσου άλματος), D.a (προορισμός έμμεσου άλματος) και ΑΘΡ (προορισμός άλματος διακλάδωσης). Αν έχουμε διακλάδωση, τότε: αν 0, έλεγχος beq, αν 1, έλεγχος bne. Το σήμα είναι αδιάφορο αν δεν έχουμε διακλάδωση. Επιλογή εισόδου ALU2 μεταξύ D.b (τιμή από ΦΚ) και D.ir (άμεσο τελούμενο ή μετατόπιση). Επιλογή πράξης ΑΛΜ μεταξύ funct (πράξη από κωδικό τελεστή), add (πρόσθεση από κωδικό λειτουργίας) και sub (αφαίρεση από κωδικό λειτουργίας). Αν 1, τότε ανάγνωση μνήμης δεδομένων. Αν 1, τότε εγγραφή μνήμης δεδομένων. Επιλογή δεδομένου προς αποθήκευση στο ΦΚ μεταξύ M.dr (από τη μνήμη) και M.c (από την ΑΛΜ). Αν 1, τότε εγγραφή ΦΚ. Αριθμός καταχωρητή εγγραφής (ένας από τους rt και rd της αντίστοιχης εντολής). Εκτός των σημάτων του πίνακα, ένα σήμα που καθορίζεται σε κάθε κύκλο μηχανής από τη ΜΕ, αλλά δεν μεταφέρεται σε επόμενες φάσεις του κύκλου εντολής, είναι το σήμα pcsel. Το σήμα αυτό καθορίζει την επιλογή εισόδου του PC για τον παρόντα κύκλο, λαμβάνοντας υπόψη εκτελέσεις διακλαδώσεων και αλμάτων, ως εξής: με τιμή 1 επιλέγει την έξοδο του πολυπλέκτη

4 4 Μ1, όταν στη Φ3 γίνεται άλμα, ενώ με τιμή 0 επιλέγει την έξοδο του αθροιστή ΑΥΞ, όταν στη Φ3 δεν γίνεται άλμα. Η πιο πάνω ΜΕΔ δεν διαθέτει μηχανισμούς παροχέτευσης και πρόβλεψης διακλαδώσεων. Έ- τσι, η μονάδα ελέγχου πρέπει να παγώνει το μηχανισμό επικάλυψης, όταν εμφανίζεται κίνδυνος εξάρτησης από δεδομένα, με μηδενισμό όλων των σημάτων ελέγχου που παράγει, καθώς και με μη επίτρεψη εγγραφής του PC και του καταχωρητή επικάλυψης F, για όσους κύκλους είναι απαραίτητο, με ενεργοποίηση του σήματος wrdis. Ακόμα, σε κάθε εντολή διακλάδωσης, οι δύο επόμενες εντολές εισέρχονται κανονικά στη ΜΕΔ, και αν το άλμα εκτελείται, γεγονός που αναδεικνύεται με τιμή 1 στο αποκλειστικό Η των σημάτων branch και Z, ακυρώνονται οι εντολές αυτές, με μηδενισμό των σημάτων ελέγχου για δύο κύκλους μηχανής. Παρόμοια γίνεται ο χειρισμός των άμεσων και έμμεσων αλμάτων, όπου βέβαια το άλμα πάντα εκτελείται. Όσο αφορά το ΦΚ, θεωρήστε ότι οι εγγραφές συμβαίνουν στο πρώτο μισό και οι αναγνώσεις στο δεύτερο μισό του κύκλου μηχανής. Στο παραπάνω διάγραμμα δίνονται για κάποιον κύκλο μηχανής οι τιμές πληροφορίας σε διάφορα σημεία της ΜΕΔ. Για παράδειγμα, το άμεσο τελούμενο ή η μετατόπιση που διαβάζεται από το πεδίο ir του D είναι -16. Επίσης, η επιλογή εισόδου του PC γίνεται από την έξοδο της μονάδας ΑΥΞ, ενώ η επιλογή στον πολυπλέκτη Μ1 στον επόμενο κύκλο θα γίνει από τον α- θροιστή ΑΘΡ. Με βάση τις τιμές και επιλογές που δίνονται στο διάγραμμα, μπορούμε να εξάγουμε στοιχεία για τις εντολές που βρίσκονται σε καθεμία από τις 5 επικαλυπτόμενες φάσεις της ΜΕΔ. Τέτοια στοιχεία είναι οι διευθύνσεις τους στη μνήμη, πεδία από τις αντίστοιχες λέξεις εντολής, αλλά και οι τιμές των τελούμενων εισόδου και εξόδου τους, ή οι διευθύνσεις μνήμης στις οποίες πιθανά αναφέρονται. Έτσι: Α. Βρείτε όσα περισσότερα στοιχεία μπορείτε για τις πέντε εντολές που βρίσκονται στη ΜΕΔ. Εξηγήστε για κάθε πεδίο λέξης εντολής που δε γνωρίζετε, γιατί δεν μπορείτε να βρείτε την τιμή του, και εάν είναι εφικτό, βρείτε τιμές τις οποίες αυτό δεν μπορεί να έχει. Β. Με βάση την απάντησή σας στο προηγούμενο ερώτημα, βρείτε τι τιμές θα αποθηκευτούν στον PC και στους καταχωρητές επικάλυψης F, D, E και Μ στο τέλος του κύκλου μηχανής. Αναφέρετε Χ για τις τιμές που δε μπορείτε να γνωρίζετε. Επαναλάβετε για τους επόμενους κύκλους μηχανής, μέχρι να βγουν από τη ΜΕΔ και οι πέντε εντολές που ξεκίνησαν. Γ. Αν στη Φ3 το σήμα memwrite ήταν 0 και το σήμα ALUop ήταν add, τι εντολή θα είχαμε στη φάση αυτή; Ποια θα ήταν τα σήματα επιλογής στους πολυπλέκτες Μ1 και Μ2; Ποιες θα ήταν οι τιμές που θα λάμβαναν ο PC και οι καταχωρητές επικάλυψης F, D και Ε στο τέλος του κύκλου; Δ. Αν στη Φ3 το σήμα memwrite ήταν 0 και το σήμα επιλογής του πολυπλέκτη Μ1 ήταν D.a, τι εντολή θα είχαμε στη φάση αυτή; Ποιες θα ήταν οι τιμές που βα λάμβαναν ο PC και οι καταχωρητές επικάλυψης F, D και Ε στο τέλος του κύκλου; Ε Εξηγήστε τι θα συνέβαινε αν στη Φ5 ο καταχωρητής εγγραφής ήταν ο 8 και στη Φ4 ο καταχωρητής εγγραφής ήταν ο 4. Να επαναλάβετε το ερώτημα Β με αυτό το δεδομένο. Άσκηση 3 Έστω η ΜΕΔ MIPS της Άσκησης 2 με την προσθήκη μηχανισμών παροχέτευσης και πρόβλεψης διακλαδώσεων. Η προσθήκη αυτή γίνεται μέσα από τρεις νέες υπομονάδες που φαίνονται στο διάγραμμα της επόμενης σελίδας, και λειτουργούν όπως περιγράφεται στη συνέχεια. Η υπομονάδα «Παροχέτευση» εξετάζει τη ΜΕΔ για κινδύνους δεδομένων που αντιμετωπίζονται με παροχέτευση. Σε κάθε κύκλο μηχανής δέχεται τον κωδικό λειτουργίας της εντολής στη Φ2 και τους αριθμούς καταχωρητών που διαβάζονται από το ΦΚ, καθώς και τα σήματα regwrite και rg των δύο προηγούμενων εντολών που βρίσκονται στις δύο επόμενες φάσεις της ΜΕΔ. Για κάθε ταύτιση καταχωρητή που διαβάζεται και είναι απαραίτητος για την εντολή που τον διαβάζει με καταχωρητή που γράφεται, ενεργοποιείται το κατάλληλο σήμα παροχέτευσης, το οποίο αποθηκεύεται στο πεδίο fwd του καταχωρητή

5 5 D, για να χρησιμοποιηθεί στον αμέσως επόμενο κύκλο μηχανής για επιλογή σε έναν από τους πολυπλέκτες Μ4 και Μ5. Η υπομονάδα «Ανίχνευση Κινδύνων» εξετάζει τη ΜΕΔ για κινδύνους από παραμένουσες εξαρτήσεις από δεδομένα που δημιουργούνται μετά από εντολές φόρτωσης. Σε κάθε κύκλο μηχανής δέχεται τον κωδικό λειτουργίας της εντολής στη Φ2 και τους αριθμούς καταχωρητών που διαβάζονται από το ΦΚ, καθώς και τα σήματα memread και rg της προηγούμενης εντολής που βρίσκεται στην επόμενη φάση της ΜΕΔ. Αν το σήμα memread έχει τιμή 1 και υπάρχει ταύτιση του καταχωρητή που γράφεται με έναν καταχωρητή που διαβάζεται και είναι απαραίτητος για την εντολή που τον διαβάζει, η ΜΕΔ παγώνει για έναν κύκλο μηχανής, με μη επίτρεψη εγγραφής του PC και του καταχωρητή F, καθώς και με μηδενισμό των σημάτων ελέγχου που παράγονται στον ίδιο κύκλο. Αυτό επιτυγχάνεται με ενεργοποίηση των σημάτων wrdis και CZ. Η υπομονάδα «Πρόβλεψη Διακλαδώσεων» υλοποιεί δυναμική πρόβλεψη διακλαδώσεων με δύο ψηφία ιστορίας ανά διακλάδωση, με τη βοήθεια μιας τοπικής μνήμης που αποθηκεύει την ιστορία και τη διεύθυνση προορισμού για κάθε διακλάδωση που απαντάται, και με βάση τον αλγόριθμο δυναμική πρόβλεψης που μελετήσαμε στο μάθημα και περιγράφεται στο βιβλίο των Patterson-Hennessy. Σε έλλειψη πληροφορίας στην υπομονάδα πρόβλεψης, αποδίδονται στην διακλάδωση μηδενικά αρχικά ψηφία ιστορίας. Σε κάθε κύκλο μηχανής, η υπομονάδα πρόβλεψης δέχεται την τιμή του PC, και αν η τιμή αυτή αντιστοιχεί σε διεύθυνση διακλάδωσης που έχει συναντηθεί στο παρελθόν και έχει πρόβλεψη εκτέλεσης άλματος, παρέχει μια διεύθυνση προορισμού στον πολυπλέκτη pcsel. Η Φ3 ενημερώνει την υπομονάδα για την έκβαση κάθε διακλάδωσης, και σε περίπτωση άλματος παρέχει σε αυτήν τη διεύθυνση προορισμού για να αποθηκευτεί στη μνήμη διευθύνσεων προορισμού. Σε κάθε λανθασμένη πρόβλεψη, ή για εκτέλεση αλμάτων χωρίς πρόβλεψη (διακλαδώσεων που δεν έχουν ξανασυναντηθεί, καθώς και άμεσων ή έμμεσων αλμάτων), ενεργοποιείται το σήμα flush, που μηδενίζει τις τιμές στις εισόδους των καταχωρητών επικάλυψης F και D, συμπεριλαμβανομένων των σημάτων που παράγει η μονάδα ελέγχου εκτός του pcsel, μέσω του οποίου ο PC λαμβάνει τη σωστή διεύθυνση από τον πολυπλέκτη Μ1. Εκτός από όσα σήματα ελέγχου αναφέρονται παραπάνω, τα υπόλοιπα σήματα έχουν τη λειτουργία που περιγράφει ο πίνακας της Άσκησης 2. Ειδικότερα, ο πολυπλέκτης Μ1 δέχεται μία ακόμα είσοδο, την τιμή του πεδίου D.pc, ώστε να παρέχεται η διεύθυνση επόμενης εντολής σε περίπτωση αποτυχημένης πρόβλεψης εκτέλεσης άλματος. Ακόμα, η λειτουργία του πολυπλέκτη pcsel τροποποιείται, ώστε να δέχεται είσοδο: (α) από την έξοδο του πολυπλέκτη Μ1, όταν στη Φ3 εκτελείται άλμα χωρίς πρόβλεψη ή έχουμε διαπίστωση λανθασμένης πρόβλεψης, (β) από την έξοδο της Μονάδας Πρόβλεψης Διακλαδώσεων, όταν υπάρχει πρόβλεψη στη Φ1 και δεν συμβαίνει κάτι από τα προηγούμενα στη Φ3, ή (γ) από την έξοδο του αθροιστή ΑΥΞ, στις υπόλοιπες περιπτώσεις. Θεωρήστε τον πιο κάτω κώδικα MIPS: addi $2,$0,0 L1: lw $3,0($8) B1: beq $3,$16,L2 lw $4,0($9) sw $4,4($8) sub $5,$3,$4 addi $3,$5,-1 sw $3,0($8) addi $2,$2,1 L2: lw $9,4($9) B2: beq $9,$0,L3 lw $6,8($9) sub $16,$6,$16 addi $8,$8,8 B3: j L1 L3: sub $16,$16,$2 sw $16,0($10)

6 ΑΛΜ Πρόβλεψη Διακλαδώσεων ΑΥΞ 6 PC wrdis Ανίχνευση Κινδύνων Μονάδα Ελέγχου CZ M1 c1 c2 c3 ΑΘΡ c2 c3 c3 F pc D pc E M ΜΔΜ & Αποθηκευμένο Πρόγραμμα ir Φάκελος Καταχωρητών Γενικού Σκοπού a b M4 M5 M2 Z c ΜΔΜ & Αποθηκευμένα Δεδομένα dr c M3 ir b flush fwd Διακοπή Παροχέτευση Πριν την εκτέλεση του κώδικα, υποθέστε ότι οι καταχωρητές του ΦΚ που μας ενδιαφέρουν περιέχουν τις ακόλουθες τιμές: $2: 0x1 $3: 0x $4: 0xfffffff2 $5: 0x0 $6: 0x $8: 0x20b41c00 $9: 0x100a8200 $10: 0x1020ca74 $16: 0xffffffff και οι θέσεις μνήμης που αναφέρονται από τον κώδικα περιέχουν: mem[0x100a8200]: 0x32 mem[0x100a8204]: 0x100b1c7c mem[0x100a8208]: 0x5 mem[0x100b1c7c]: 0x103 mem[0x100b1c80]: 0x10101c20 mem[0x100b1c84]: 0x2 mem[0x10101c20]: 0xfffff6a7 mem[0x10101c24]: 0x0 mem[0x10101c28]: 0x7 mem[0x1020ca74]: 0x11 mem[0x20b41c00]: 0xfffffffe mem[0x20b41c04]: 0x0 mem[0x20b41c08]: 0x3 mem[0x20b41c0c]: 0x1 mem[0x20b41c10]: 0xfffffffa mem[0x20b41c14]: 0x0 Υποθέστε ότι πριν εμφανιστεί η πρώτη εντολή, η ΜΕΔ είναι άδεια, τα σήματα ελέγχου είναι μηδενισμένα, ενώ δεν υπάρχει καμία αποθηκευμένη πληροφορία στην υπομονάδα πρόβλεψης

7 7 διακλαδώσεων. Ακόμα, υποθέστε ότι οι διευθύνσεις των τριών εντολών διακλάδωσης δεν εμφανίζουν σύγκρουση στην προσπέλαση της μνήμης ιστορίας και διευθύνσεων προορισμού. Αν ο κώδικας βρίσκεται στη μνήμη, με την πρώτη εντολή στη θέση 0x40031bf8, να δείξετε πώς ο κώδικας εκτελείται στην παραπάνω ΜΕΔ, ως εξής: Α. Να δώσετε το διάγραμμα χρονισμού που προκύπτει από την εκτέλεση. Β. Να δώσετε όλες τις τιμές που παράγονται μέσα στη ΜΕΔ, είτε ως δεδομένα είτε ως σήματα ελέγχου, ξεχωριστά για κάθε κύκλο μηχανής, από τη Φ1 της πρώτης εντολής, μέχρι τη Φ5 της τελευταίας εντολής. Για το σκοπό αυτό, να χρησιμοποιήσετε το επισυναπτόμενο αρχείο «datapath.pdf», αντιγράφοντάς το όσες φορές χρειαστεί, δημιουργώντας σε κάθε κενή ΜΕΔ ένα στιγμιότυπο ενός κύκλου μηχανής, τοποθετώντας πάνω της τις ακριβείς τιμές σημάτων και δεδομένων. Άσκηση 4 Θεωρήστε τη ΜΕΔ MIPS της Άσκησης 3. Υποθέστε ότι, σε μια προσπάθεια να απλουστεύσουμε τους μηχανισμούς μερικής επικάλυψης, προχωράμε σε κατάργηση της μετατόπισης στις εντολές προσπέλασης μνήμης. Όλες οι εντολές προσπέλασης μνήμης μπορούν έτσι να πάνε στη μνήμη αμέσως μετά τη φάση αποκωδικοποίησης. Η ΜΕΔ θα πρέπει να καταργήσει τη φάση Φ4, συνδέοντας τη μνήμη δεδομένων παράλληλα με την ΑΛΜ, μέσα στη Φ3. Η έξοδος ανάγνωσης της μνήμης δεδομένων συνδέεται σε κατάλληλο πεδίο του καταχωρητή επικάλυψης Ε, οπότε ο καταχωρητής επικάλυψης Μ καταργείται. Α. Δώστε το διάγραμμα της ΜΕΔ που προκύπτει μετά την παραπάνω τροποποίηση, σε όμοια μορφή με το διάγραμμα της Άσκησης 3. Εξηγήστε το αποτέλεσμα που έχει η τροποποίηση στους μηχανισμούς μερικής επικάλυψης, και το αποτέλεσμα που αναμένετε αυτή να έχει στην απόδοση των εφαρμογών. Β. Θεωρήστε τον κώδικα MIPS της Άσκησης 1. Μετασχηματίστε τον κώδικα, ώστε οι εντολές προσπέλασης μνήμης να μην έχουν μετατόπιση, και δείξτε την εκτέλεση του μετασχηματισμένου κώδικα, δίνοντας μόνο τα διαγράμματα χρονισμού της εκτέλεσής του, για τις τέσσερεις περιπτώσεις πρόβλεψης και αποτελέσματος πρόβλεψης της πρώτης εντολής διακλάδωσης Β1. Με τις υποθέσεις αλμάτων του ερωτήματος Δ της Άσκησης 1, μελετήστε τη σχετική απόδοση του κώδικα στη νέα ΜΕΔ έναντι του κώδικα στην αρχική ΜΕΔ, με μέτρο απόδοσης το ρυθμό ολοκλήρωσης εντολών. Άσκηση 5 Υποθέστε ότι έχουμε τη ΜΕΔ MIPS μερικά επικαλυπτόμενων εντολών που μελετήσαμε στο μάθημα, με μηχανισμούς παροχέτευσης και πρόβλεψης διακλαδώσεων. Η παροχέτευση γίνεται προς τη φάση εκτέλεσης, είτε από την έξοδο αυτής, είτε από την έξοδο της φάσης προσπέλασης μνήμης, από τον αντίστοιχο καταχωρητή επικάλυψης. Όταν η παροχέτευση δεν αντιμετωπίζει πλήρως έναν κίνδυνο δεδομένων, παγώνουμε το μηχανισμό επικάλυψης όσο χρειάζεται. Όσο αφορά την πρόβλεψη διακλαδώσεων, αυτή είναι στατική, με βάση το πρόσημο της μετατόπισης της διακλάδωσης. Η αποτίμηση της συνθήκης μιας διακλάδωσης γίνεται στη φάση εκτέλεσης, και για μείωση των απωλειών από λανθασμένη πρόβλεψη υλοποιείται καθυστέρηση δύο θέσεων μετά την εντολή διακλάδωσης. Στην παραπάνω ΜΕΔ επιθυμούμε να προσθέσουμε μια μονάδα ακέραιου πολλαπλασιασμού. Η μονάδα αυτή συνδέεται στη ΜΕΔ ώστε να λειτουργεί όπως περιγράφεται στη συνέχεια: Η νέα μονάδα συνδέεται μετά τον καταχωρητή επικάλυψης D, παράλληλα με την ΑΛΜ και τη μνήμη δεδομένων, και λαμβάνει είσοδο από τις εξόδους των δύο πολυπλεκτών παροχέτευσης.

8 8 Η μονάδα ενεργοποιείται με μια εντολή πολλαπλασιασμού έστω mult, η οποία παρέχει μόνο τα κατ ευθείαν τελούμενα εισόδου της πράξης. Η εκτέλεση μιας πράξης πολλαπλασιασμού στη νέα μονάδα ολοκληρώνεται σε 8 κύκλους μηχανής, και στο τέλος του όγδοου κύκλου το αποτέλεσμα στέλνεται σε κατάλληλο καταχωρητή ειδικού σκοπού L. Για απλούστευση θα θεωρήσουμε αποτέλεσμα του ίδιου εύρους με τα τελούμενα εισόδου της πράξης. Για αποφυγή κινδύνων από εξαρτήσεις δεδομένων τύπου ΕΜΕ και ΕΜΑ λόγω της μεγάλης καθυστέρησης της πράξης σε σχέση με απλές πράξεις ΑΛΜ, η εγγραφή του ΦΚ αποσυνδέεται από την εντολή πολλαπλασιασμού. Έτσι, απαιτείται και μια συμπληρωματική εντολή έστω mres, η οποία στη Φ3 λαμβάνει το αποτέλεσμα από τον L και το μεταφέρει στο πεδίο E.c, απ όπου αυτό προχωράει όπως σε άλλες εντολές μέχρι το ΦΚ. Ο πιο πάνω μηχανισμός έχει τη θετική παρενέργεια ότι όσο διαρκεί η εκτέλεση μιας πράξης πολλαπλασιασμού, η ΜΕΔ μπορεί να συνεχίσει να εκτελεί άλλες εντολές εκτός πολλαπλασιασμών, χωρίς να πρέπει να παγώσει μέχρι την ολοκλήρωση της πράξης. Αυτό συμβαίνει επειδή η εντολή mult δεν έχει τελούμενο εξόδου, κι έτσι δε δημιουργεί εξαρτήσεις προς άλλες εντολές. Οι όποιες εξαρτήσεις δημιουργούνται από την εντολή mres προς εντολές που χρησιμοποιούν τον καταχωρητή εξόδου αυτής. Η αρνητική παρενέργεια του μηχανισμού αυτού είναι η υπονοούμενη εξάρτηση μεταξύ mult και mres. Επειδή η φάση εκτέλεσης της εντολής mult διαρκεί 8 κύκλους μηχανής, αν κάποια mres εμφανιστεί στη Φ3 πριν ή κατά την ολοκλήρωση του πολλαπλασιασμού, τότε αυτή η εξάρτηση θα οδηγήσει σε πάγωμα το μηχανισμό επικάλυψης για όσους κύκλους χρειάζεται, μέχρι να γίνει η εγγραφή του L. Θεωρήστε τον παρακάτω βρόχο σε συμβολική γλώσσα MIPS, ο οποίος υπολογίζει τις ελάχιστες τιμές μεταξύ των συνιστωσών δύο διανυσμάτων, στη συνέχεια πολλαπλασιάζει τις τιμές αυτές με κάποια αυξανόμενη τιμή, αφαιρεί τις συνιστώσες τρίτου διανύσματος, και τέλος αποθηκεύει τις τελικές τιμές στη θέση τέταρτου διανύσματος: addi $15,$0,1 L: lw $8,0($17) lw $9,0($18) slt $10,$8,$9 bne $10,$0,X or $8,$9,$0 X: mult $8,$15 mres $8 lw $9,0($19) sub $8,$8,$9 sw $8,0($20) addi $15,$15,1 addi $20,$20,4 addi $19,$19,4 addi $18,$18,4 addi $17,$17,4 bne $17,$16,L Στον παραπάνω κώδικα οι εντολές βρίσκονται στις θέσεις καθυστέρησης των αντίστοιχων διακλαδώσεων. Ο μεταγλωττιστής δεν έκανε καμία προσπάθεια να τοποθετήσει στις θέσεις αυτές χρήσιμες εντολές, και γι αυτό τις συμπλήρωσε με εντολές, που εκτελούνται κανονικά, χωρίς όμως να αλλάζουν την κατάσταση της ΜΕΔ. Υποθέστε ότι το άλμα στη διακλάδωση του σώματος του βρόχου εκτελείται στο 60% των περιπτώσεων, και υποθέτοντας μεγάλο αριθμό επαναλήψεων, αγνοήστε τη μοναδική μη εκτέλεση άλματος στη διακλάδωση τερματισμού του βρόχου.

9 9 Α. Υπολογίστε το μέσο χρόνο ολοκλήρωσης μιας επανάληψης του παραπάνω βρόχου, δηλαδή το μέσο χρονικό διάστημα σε κύκλους μηχανής από την ολοκλήρωση μιας επανάληψης μέχρι την ολοκλήρωση της επόμενης, δίνοντας δύο διαγράμματα χρονισμού, ένα για επιτυχημένη, κι ένα για αποτυχημένη πρόβλεψη στη διακλάδωση του σώματος του βρόχου. Β. Επειδή οι εντολές δεν κάνουν κάτι χρήσιμο, ισοδυναμούν με παγώματα στο μηχανισμό επικάλυψης, με τη διαφορά ότι αυτά είναι φανερά και δεν προκύπτουν αυτόματα από τη ΜΕΔ. Επαναδιατάξτε τώρα τις εντολές του κώδικα, ώστε και να τοποθετήσετε χρήσιμες εντολές στις θέσεις καθυστέρησης των διακλαδώσεων, αλλά και να εξαλείψετε τα πιθανά παγώματα στις φορτώσεις και στον πολλαπλασιασμό, αν κάτι τέτοιο είναι δυνατό. Η αναδιάταξη πρέπει να γίνει με προσοχή, ώστε να μην αλλάζει το αποτέλεσμα της εκτέλεσης του κώδικα. Για το σκοπό αυτό, αν χρειαστεί, μπορείτε να αλλάξετε μετατοπίσεις εντολών προσπέλασης μνήμης, ή α- κόμα να προσθέσετε εντολές πριν ή μετά το βρόχο. Για παράδειγμα, το ζεύγος εντολών lw $8,0($17) addi $17,$17,4 μπορεί να ξαναγραφτεί ως addi $17,$17,4 lw $8,-4($17) όπου η νέα μετατόπιση εξισορροπεί την πρώιμη αύξηση του $17. Ξαναϋπολογίστε τώρα το μέσο χρόνο ολοκλήρωσης μιας επανάληψης του βρόχου, δίνοντας πάλι τα δύο διαγράμματα χρονισμού. Γ. Μια μέθοδος επιτάχυνσης στην εκτέλεση ενός βρόχου είναι το ξεδίπλωμα του βρόχου (loop unrolling). Υποθέτοντας ότι έχουμε άρτιο αριθμό επαναλήψεων διαφορετικά απομονώνουμε μια επανάληψη και την εκτελούμε στο τέλος, ο παραπάνω βρόχος με ξεδίπλωμα δύο φορές γίνεται: addi $15,$0,1 L: lw $8,0($17) lw $9,0($18) slt $10,$8,$9 bne $10,$0,X1 or $8,$9,$0 X1: mult $8,$15 mres $8 lw $9,0($19) sub $8,$8,$9 sw $8,0($20) addi $15,$15,1 L1: lw $8,4($17) lw $9,4($18) slt $10,$8,$9 bne $10,$0,X2 or $8,$9,$0 X2: mult $8,$15 mres $8 lw $9,4($19) sub $8,$8,$9 sw $8,4($20) addi $15,$15,1 addi $20,$20,8 addi $19,$19,8 addi $18,$18,8 addi $17,$17,8 bne $17,$16,L

10 10 Ένα τέτοιο ξεδίπλωμα μειώνει το συνολικό αριθμό εντολών που εκτελούνται, επειδή η μεταβολή της τιμής των δεικτών του βρόχου και η εντολή διακλάδωσης προς την αρχή του βρόχου εκτελούνται μόνο μια φορά στο σώμα του νέου βρόχου, αντί για δύο. Συνήθως το ξεδίπλωμα συνοδεύεται από αναδιάταξη των εντολών στο σώμα του νέου βρόχου, ώστε να εξαλειφτούν προβλήματα από εντολές ή εξαρτήσεις δεδομένων που δεν αντιμετωπίζονται χωρίς πάγωμα στον αρχικό βρόχο. Όμως, η αναδιάταξη αυτή πρέπει να γίνεται με προσοχή, επειδή το ξεδίπλωμα οδηγεί στην εμφάνιση καινούργιων εξαρτήσεων στο σώμα του νέου βρόχου, καθώς οι ίδιοι καταχωρητές χρησιμοποιούνται σε κάθε επανάληψη του αρχικού βρόχου. Πολλές από αυτές τις εξαρτήσεις είναι τύπου ΕΜΑ, και αντιμετωπίζονται με τη χρήση διαφορετικών καταχωρητών για κάθε επανάληψη του αρχικού βρόχου μέσα στο σώμα του νέου βρόχου. Για παράδειγμα, η εντολή που βρίσκεται στη θέση με ετικέτα L1 η οποία είναι η πρώτη εντολή της δεύτερης επανάληψης του αρχικού βρόχου δε μπορεί να μεταφερθεί σε προηγούμενη θέση, λόγω εξάρτησης ΕΜΑ στον καταχωρητή $8 από την αμέσως προηγούμενη εντολή. Μια τέτοια εξάρτηση αντιμετωπίζεται με χρήση διαφορετικού καταχωρητή, αν κάποιος είναι διαθέσιμος, στη θέση του $8 στη δεύτερη επανάληψη του αρχικού βρόχου. Τροποποιήστε έτσι τον πιο πάνω ξεδιπλωμένο κώδικα με αναδιάταξη των εντολών του βρόχου, ώστε να μην υπάρχουν εντολές ούτε να εμφανίζονται παγώματα κατά την εκτέλεση του βρόχου. Υποθέστε ότι έχετε διαθέσιμους όλους τους υπόλοιπους καταχωρητές της αρχιτεκτονικής, ώστε να αλλάξετε όποιους καταχωρητές θέλετε για την αναδιάταξη αυτή. Δώστε τα τέσσερα διαγράμματα χρονισμού που προκύπτουν από την εκτέλεση του κώδικα για όλους τους συνδυασμούς εκτελέσεων των δύο διακλαδώσεων στο σώμα του νέου βρόχου. Υπολογίστε το νέο μέσο χρόνο ολοκλήρωσης μιας επανάληψης του βρόχου και συγκρίνετέ τον με αυτόν που βρήκατε νωρίτερα, δεδομένου ότι μία επανάληψη του νέου βρόχου αντιστοιχεί σε δύο επαναλήψεις του αρχικού. Δ. Στη συνέχεια θα γενικεύσουμε τη χρήση της παραπάνω ΜΕΔ και θα προσπαθήσουμε να αξιολογήσουμε την απόδοσή της. Σε μια τέτοια ΜΕΔ ο μεταγλωττιστής προσπαθεί να βελτιστοποιεί τη διάταξη των εντολών του παραγόμενου κώδικα, ώστε να ελαχιστοποιούνται τα παγώματα που προκύπτουν κατά την εκτέλεσή του. Όμως λόγω έλλειψης διαθέσιμων εντολών, ο μεταγλωττιστής δε μπορεί πάντα να διατάσσει τις εντολές με βέλτιστο τρόπο, κι έτσι άλλοτε καταφέρνει να εξαλείφει τα παγώματα και άλλοτε όχι. Έτσι, αν μεταφράσουμε κάποιο μετροπρόγραμμα για την παραπάνω ΜΕΔ, το οποίο αποτελείται από εντολές που είναι κατά 25% εντολές φόρτωσης, κατά 11% εντολές αποθήκευσης, κατά 12% εντολές διακλάδωσης, κατά 2% άλλες εντολές άλματος, κατά 3% εντολές πολλαπλασιασμού (mult και mres), και κατά 47% εντολές ΑΛΜ, και: για κάθε εντολή πολλαπλασιασμού mult η εξαρτώμενη mres είναι τοποθετημένη σε απόσταση μιας εντολής με πιθανότητα 1/8, σε απόσταση δύο εντολών με πιθανότητα 1/4, σε απόσταση τριών εντολών με πιθανότητα 3/8 και σε απόσταση τεσσάρων και πέντε εντολών με πιθανότητα 1/8, για κάθε εντολή φόρτωσης, υπάρχει πιθανότητα 1/2 για την πρώτη, 1/4 για τη δεύτερη, 1/8 για την τρίτη, κόκ, εντολή που ακολουθεί να είναι εξαρτημένη από αυτή, και για κάθε διακλάδωση ή άλλο άλμα, η πρώτη θέση καθυστέρησης είναι συμπληρωμένη με χρήσιμη εντολή με πιθανότητα 75%, και η δεύτερη θέση με πιθανότητα 20% όπου ο μεταγλωττιστής συμπληρώνει τις θέσεις καθυστέρησης πάντα με τη σειρά, να υπολογίσετε το μέσο αριθμό κύκλων μηχανής ανά εντολή (CPI) για το πρόγραμμα αυτό,. Άσκηση 6 Θεωρήστε τη ΜΕΔ MIPS μερικά επικαλυπτόμενων εντολών της Άσκησης 3, με τη διαφορά ότι αντί διαχωρισμένης, διαθέτουμε μια ενοποιημένη κρυφή μνήμη εντολών και δεδομένων μεγέθους 4 Kbytes. Η μνήμη αυτή δημιουργεί δομικούς κινδύνους μεταξύ εντολών που κάνουν

11 11 προσπέλαση μνήμης για δεδομένα και επόμενων εντολών που βρίσκονται στη φάση ανάκλησης, με αποτέλεσμα οι δεύτερες να παγώνουν όσο γίνεται προσπέλαση δεδομένων. Α. Στην παραπάνω ΜΕΔ εκτελούμε τον κώδικα της Άσκησης 3, με τα αρχικά δεδομένα εκτέλεσης που δίνονται στην ίδια άσκηση. Δώστε το ενιαίο διάγραμμα χρονισμού που προκύπτει, και βρείτε την ακολουθία διευθύνσεων μνήμης που παράγεται κατά την εκτέλεση. Β. Υποθέτοντας ότι η κρυφή μνήμη είναι αρχικά άδεια (μ άλλα λόγια όλα τα πλαίσια είναι αρχικά άκυρα), και ότι τα δεδομένα προσκομίζονται με τακτική «όταν απαιτείται», βρείτε πόσες και ποιες είναι οι επιτυχίες και οι αποτυχίες από τις προσπελάσεις μνήμης που κάνει ο κώδικας, ποιες αντικαταστάσεις πλαισίων συμβαίνουν, καθώς και τι τιμές υπάρχουν μετά την τελευταία από τις προσπελάσεις (α) στο ψηφίο εγκυρότητας κάθε πλαισίου και (β) στο πεδίο ετικέτας κάθε πλαισίου, όταν: (1) Η κρυφή μνήμη είναι άμεσης απεικόνισης με μέγεθος πλαισίου 16 bytes. (2) Η κρυφή μνήμη είναι άμεσης απεικόνισης με μέγεθος πλαισίου 256 bytes. (3) Η κρυφή μνήμη είναι 2-τρόπων συνόλου συσχέτισης με μέγεθος πλαισίου 16 bytes και LRU στρατηγική απελευθέρωσης. (4) Η κρυφή μνήμη είναι 2-τρόπων συνόλου συσχέτισης με μέγεθος πλαισίου 16 bytes και FIFO στρατηγική απελευθέρωσης. (5) Η κρυφή μνήμη είναι 2-τρόπων συνόλου συσχέτισης με μέγεθος πλαισίου 256 bytes και LRU στρατηγική απελευθέρωσης. (6) Η κρυφή μνήμη είναι 2-τρόπων συνόλου συσχέτισης με μέγεθος πλαισίου 256 bytes και FIFO στρατηγική απελευθέρωσης. (7) Η κρυφή μνήμη είναι 4-τρόπων συνόλου συσχέτισης με μέγεθος πλαισίου 16 bytes και LRU στρατηγική απελευθέρωσης. (8) Η κρυφή μνήμη είναι 4-τρόπων συνόλου συσχέτισης με μέγεθος πλαισίου 16 bytes και FIFO στρατηγική απελευθέρωσης. (9) Η κρυφή μνήμη είναι πλήρους συσχέτισης με μέγεθος πλαισίου 16 bytes και LRU στρατηγική απελευθέρωσης. (10) Η κρυφή μνήμη είναι πλήρους συσχέτισης με μέγεθος πλαισίου 256 bytes και LRU στρατηγική απελευθέρωσης. Άσκηση 7 Θεωρήστε ένα σύστημα ιεραρχίας μνήμης με κρυφή (ενός επιπέδου), κύρια, και εικονική μνήμη. Η κρυφή μνήμη δέχεται λογικές διευθύνσεις, και σε περίπτωση αποτυχίας απαιτείται η φυσική διεύθυνση για την προσπέλαση του επόμενου επιπέδου της ιεραρχίας. Η φυσική διεύθυνση βρίσκεται με τη βοήθεια (α) μιας συσχετιστικής μνήμης TLB, η οποία διατηρεί τις πιο πρόσφατες απεικονίσεις από λογικές σε φυσικές διευθύνσεις, και (β) ενός πίνακα σελίδων που χρησιμοποιεί απεικόνιση δύο επιπέδων για την εύρεση των φυσικών διευθύνσεων από τις λογικές. Επειδή η κρυφή μνήμη της ιεραρχίας μνήμης δέχεται λογικές διευθύνσεις, μπορεί να αναζητήσει κάποιο δεδομένο την ίδια στιγμή που η TLB αναζητάει τη φυσική διεύθυνση. Έστω ότι κατά την εκτέλεση ενός προγράμματος ο λόγος επιτυχίας της κρυφής μνήμης είναι 85%. Έστω ακόμη ότι το 95% των περιπτώσεων προσπέλασης μνήμης βρίσκει την απεικόνιση από λογική σε φυσική διεύθυνση μνήμης στην TLB. Στις υπόλοιπες περιπτώσεις δημιουργείται ειδική περίπτωση στον επεξεργαστή, ώστε να εξεταστεί ο πίνακας σελίδων και να αναζητηθεί σε αυτόν η απεικόνιση σε φυσική διεύθυνση. Έστω ότι σε ένα 0,005% των τελευταίων περιπτώσεων έχουμε σφάλμα σελίδας, οπότε παρεμβάλλεται το λειτουργικό σύστημα, ώστε να φέρει τη ζητούμενη σελίδα από το δίσκο. Τότε, και αν χρειαστεί η σελίδα αυτή να αντικαταστήσει κάποια άλλη, η απεικόνιση της τελευταίας στην TLB ακυρώνεται. Υποθέστε ότι ο χρόνος προσπέλασης τόσο της κρυφής μνήμης όσο και της TLB είναι 3ns. Ο χρόνος προσπέλασης της κύριας μνήμης είναι 60ns. Ο πίνακας σελίδων δε μεταφέρεται ποτέ στην κρυφή μνήμη. Το πρώτο επίπεδο απεικόνισης του πίνακα σελίδων βρίσκεται μόνιμα στην κύρια μνήμη, αλλά το δεύτερο όχι, κι έτσι μπορεί να οδηγήσει σε σφάλμα σελίδας, με την

12 12 πιθανότητα που αναγράφτηκε παραπάνω. Κάθε περίπτωση σφάλματος σελίδας έχει κόστος 1ms μέχρι η σελίδα να φορτωθεί από το δίσκο στην κύρια μνήμη. Με βάση τα παραπάνω, να υπολογίσετε το μέσο χρόνο προσπέλασης μνήμης για το συγκεκριμένο πρόγραμμα. Άσκηση 8 Ακολουθεί μια λίστα δομικών στοιχείων, τα οποία χρησιμοποιούνται σε ένα σύστημα Ε/Ε με σύγχρονο δίαυλο επεξεργαστή-μνήμης συχνότητας 800 MHz και έναν ή περισσότερους προσαρμογείς Ε/Ε που διασυνδέουν διαύλους Ε/Ε στο δίαυλο επεξεργαστή-μνήμης. Σύστημα μνήμης: Το σύστημα μνήμης έχει διασύνδεση εύρους 32 bits στην οποία ε- κτελεί μεταφορές τεσσάρων λέξεων τη φορά. Το σύστημα μνήμης χρησιμοποιεί ξεχωριστές γραμμές διευθύνσεων και δεδομένων και για εγγραφές στη μνήμη δέχεται μια λέξη σε κάθε κύκλο ρολογιού για 4 κύκλους ρολογιού, και στη συνέχεια απαιτεί επιπλέον 4 κύκλους ρολογιού πριν ολοκληρώσει την αποθήκευση των λέξεων και μπορέσει να δεχθεί την επόμενη συναλλαγή. Διασυνδέσεις άμεσης προσπέλασης μνήμης (DMA): Οι προσαρμογείς Ε/Ε χρησιμοποιούν DMA για τη μεταφορά των δεδομένων μεταξύ των διαύλων Ε/Ε και του διαύλου επεξεργαστή-μνήμης. Η μονάδα DMA επιτελεί τη διαιτησία στο δίαυλο επεξεργαστή-μνήμης και στέλνει και λαμβάνει μπλοκ τεσσάρων λέξεων από και προς το σύστημα μνήμης. Ο ελεγκτής DMA μπορεί να εξυπηρετήσει έως 8 δίσκους. Η εκκίνηση μια νέας λειτουργίας Ε/Ε απαιτεί 0.1 ms, και στη διάρκεια του χρόνου αυτού δε μπορεί να ξεκινήσει άλλη Ε/Ε από αυτόν τον ελεγκτή (αλλά μπορεί να γίνει χειρισμός λειτουργιών που είναι σε εκκρεμότητα). Δίαυλος Ε/Ε: Ο δίαυλος Ε/Ε είναι ένας σύγχρονος δίαυλος με εύρος ζώνης 120 MB/sec σε σταθερή λειτουργία. Κάθε μεταφορά έχει μήκος μια λέξη. Δίσκοι: Οι δίσκοι έχουν μέσο χρόνο καθυστέρησης για αναζήτηση και περιστροφή 8 ms, ενώ έχουν εύρος ζώνης ανάγνωσης/εγγραφής 48 MB/sec, όταν εκτελούν μεταφορά. Βρείτε το χρόνο που απαιτείται για την ανάγνωση ενός τομέα 16 ΚΒ από ένα δίσκο στη μνήμη, με την παραδοχή ότι αυτή είναι η μόνη δραστηριότητα στο δίαυλο. Προσοχή: Οι θεωρητικές ασκήσεις παραδίνονται μόνο χειρόγραφες, κάθε άσκηση σε ξεχωριστές σελίδες. Η παράδοση συνοδεύεται από υποχρεωτική σύντομη εξέταση.

13 13 Τρίτη Σειρά Ασκήσεων (Εργαστηριακές Ασκήσεις) παράδοση: τέλος εξεταστικής Ιανουαρίου ή Σεπτεμβρίου Άσκηση 4 Σχεδιάστε μια μονάδα διαίρεσης σταθερής υποδιαστολής για μη προσημασμένους αριθμούς, με τη βοήθεια μιας γλώσσας περιγραφής υλικού (VHDL ή Verilog) και του προγράμματος ModelSim, η οποία να υλοποιεί τον επαναληπτικό αλγόριθμο διαίρεσης με διαδοχικές αφαιρέσεις και ολισθήσεις. Ο διαιρετέος να είναι μεγέθους 64 bits, ενώ ο διαιρέτης να είναι μεγέθους 32 bits. Οι έξοδοι της μονάδας, το πηλίκο και το υπόλοιπο, να είναι επίσης μεγέθους 32 bits. Μια πρόσθετη έξοδος της μονάδας, μεγέθους 1 bit, σηματοδοτεί προσπάθεια διαίρεσης με το 0. Θεωρήστε σα βάση τον κλασικό αλγόριθμο, ο οποίος σε κάθε επανάληψη, κι αφού εκτελέσει αφαίρεση του διαιρέτη από το μερικό υπόλοιπο, επιλέγει σα νέα τιμή του μερικού υπολοίπου το αποτέλεσμα της αφαίρεσης, μόνο αν αυτό είναι μη αρνητικό, αλλιώς διατηρεί την παλιά τιμή του, ενώ θέτει αντίστοιχα τιμές 1 ή 0 στο επόμενο ψηφίο του πηλίκου. Ο αλγόριθμος αυτός υπολογίζει το πηλίκο με ρυθμό 1 bit ανά επανάληψη, επειδή κάθε φορά εξετάζει αν ο διαιρέτης χωράει το πολύ μία φορά στο μερικό υπόλοιπο. Στην άσκηση αυτή σας ζητείται να υλοποιήσετε έναν αλγόριθμο, ο οποίος να προχωράει με ρυθμό 2 bits ανά επανάληψη, εκτελώντας ταυτόχρονα πολλαπλές αφαιρέσεις από το μερικό υπόλοιπο, τόσο του διαιρέτη, όσο και πολλαπλασίων αυτού διπλάσιου και τριπλάσιου, ώστε να βρίσκει 2 νέα ψηφία πηλίκου. Η επιλογή των ψηφίων αυτών θα γίνεται με βάση τα πρόσημα που έχουν τα αποτελέσματα των αφαιρέσεων. Για την άσκηση αυτή, μπορείτε να προχωρήσετε με τα ακόλουθα βήματα: 1. Σχεδιάστε τη ΜΕΔ της μονάδας. Θα χρησιμοποιήσετε πολλαπλές υπομονάδες αφαίρεσης, έναν πολυπλέκτη για την επιλογή του αποτελέσματος, και έναν καταχωρητή ολίσθησης, που θα πρέπει να κάνει ολίσθηση κατά δύο ψηφία σε κάθε παλμό ρολογιού. Θα χρειαστείτε ακόμα κι έναν ή περισσότερους επιπλέον καταχωρητές, για να κρατάτε το ή τα πολλαπλάσια του διαιρέτη που χρησιμοποιείτε στις πολλαπλές αφαιρέσεις. Κάποιο από, ή και τα δύο πολλαπλάσια θα πρέπει να υπολογίζονται έναν κύκλο ρολογιού πριν αρχίσει η εφαρμογή του επαναληπτικού αλγόριθμου. Υλοποιήστε σε VHDL ή Verilog τη ΜΕΔ της μονάδας με όλα τα πιο πάνω στοιχεία. 2. Προσθέστε τα σήματα ελέγχου που χρειάζεστε. Καθορίστε τις καταστάσεις της μονάδας και σχεδιάστε τη μηχανή καταστάσεων. Με βάση τη μηχανή καταστάσεων, υλοποιήστε το κύκλωμα ελέγχου της μονάδας, ώστε να παράγει τα σήματα που προσθέσατε, στο σωστό κύκλο μηχανής. 3. Προσθέστε τη δυνατότητα ελέγχου για διαίρεση με 0, ο οποίος θα δίνει τιμή σε κατάλληλο σήμα εξόδου της μονάδας. Πιθανά να χρειαστείτε μια νέα κατάσταση για την ενεργοποίηση αυτού του σήματος. 4. Ελέγξτε την ορθότητα του κυκλώματός σας με κατάλληλα διανύσματα δοκιμής. Να γράψετε δομημένο (structural) πρόγραμμα, με βασικά δομικά στοιχεία καταχωρητές και πύλες. Σε όσες από τις πιο πάνω φάσεις σχεδίασης χρειάζεστε κάποια υπομονάδα πρόσθεσης ή αφαίρεσης, χρησιμοποιήστε την υπομονάδα πρόσθεσης πρόβλεψης κρατουμένου που υλοποιήσατε στην Άσκηση 3, αφού την επεκτείνετε για αφαίρεση. Άσκηση 5 Θεωρήστε ένα φάκελο καταχωρητών (ΦΚ), μιας υποθετικής αρχιτεκτονικής AmΑ (Amazing Architecture), όπως περιγράφεται στη συνέχεια: - Περιλαμβάνει 56 καταχωρητές γενικού σκοπού, με μήκος λέξης 32 bits, οι οποίοι προσπελαύνονται με 32 διευθύνσεις των 5 bits, από $0 έως $31, και με τη βοήθεια ειδικών σημάτων ελέγχου που περιγράφονται στη συνέχεια.

14 14 - Ο καταχωρητής με διεύθυνση $0 έχει πάντα τιμή 0. - Διαθέτει 2 θύρες ανάγνωσης Α και Β, και 1 θύρα εγγραφής D, κι επομένως θα δέχεται συνολικά 3 διευθύνσεις καταχωρητών για ανάγνωση και εγγραφή, έστω addra, addrb και addrd αντίστοιχα, καθώς και ένα σήμα επίτρεψης ανάγνωσης και ένα σήμα επίτρεψης εγγραφής, έστω RegRead και RegWrite αντίστοιχα. - Οι διευθύνσεις $16 έως και $23 αντιστοιχούνται σε τέσσερις ομάδες καταχωρητών, που επιλέγονται με τη βοήθεια ειδικού σήματος ελέγχου, έστω threadid, εύρους 2 bits. Το σήμα αυτό δεν επηρεάζει την προσπέλαση άλλων διευθύνσεων. - Οι καταχωρητές με διεύθυνση $23 είναι τέσσερις μετρητές προγράμματος PC1, PC2, PC3 και PC4, και ο φάκελος θα πρέπει να υποστηρίζει αύξηση της τιμής κατά 1 του καταχωρητή που καθορίζει το σήμα threadid, όταν κατάλληλο σήμα επίτρεψης, έστω PCinc, είναι ε- νεργοποιημένο. Όταν συμβαίνει εγγραφή στη διεύθυνση $23, η εγγραφή αυτή έχει προτεραιότητα έναντι της αύξησης κατά 1, ανεξάρτητα της τιμής του σήματος PCinc. - Οι καταχωρητές $24 έως και $31 υλοποιούνται σε αντίστοιχες δομές ουράς βάθους 4 θέσεων η καθεμία. Σε κάθε τέτοιον καταχωρητή, ένας βοηθητικός καταχωρητής ολίσθησης των 4 bits δείχνει το ενεργό βάθος της ουράς, ώστε μία εγγραφή να εισάγει μία λέξη από το πίσω μέρος της ουράς, στη θέση που υποδεικνύεται από τον βοηθητικό καταχωρητή. Μία ανάγνωση αφαιρεί μία λέξη από το μπροστινό μέρος της ουράς, οπότε όλες οι υπόλοιπες λέξεις μέχρι το ενεργό βάθος της ουράς ολισθαίνουν προς τα εμπρός. Επειδή η ανάγνωση τροποποιεί την κατάσταση του καταχωρητή, γίνεται απαραίτητο το σήμα επίτρεψης ανάγνωσης που αναφέρθηκε. Το σήμα αυτό δεν αφορά άλλους καταχωρητές. - Μη επιτρεπτές προσπελάσεις των καταχωρητών $24 έως και $31 περιλαμβάνουν εγγραφή σε γεμάτη ουρά, ανάγνωση σε άδεια ουρά ή ταυτόχρονη ανάγνωση και εγγραφή στην ίδια ουρά. Τέτοιες προσπελάσεις ενεργοποιούν κατάλληλα σήματα εξόδου του ΦΚ, έστω invaccessα, invaccessb, invaccessd, για καθεμία από τις τρεις προσπελάσεις που μπορεί να δέχεται ο ΦΚ σε έναν κύκλο μηχανής, καθώς και invaccess για την τελευταία περίπτωση. Τα σήματα αυτά μπορούν να σηματοδοτούν αντίστοιχες εξαιρέσεις στον επεξεργαστή. - Όλες οι αλλαγές κατάστασης του ΦΚ, συμπεριλαμβανομένων των ολισθήσεων των βοηθητικών καταχωρητών ολίσθησης και της αύξησης των μετρητών προγράμματος κατά 1, συμβαίνουν σύγχρονα, με τη βοήθεια εισόδου ωρολογιακών παλμών, έστω CLK. Σχεδιάστε τον παραπάνω ΦΚ σε κάποια γλώσσα περιγραφής υλικού (VHDL ή Verilog) με το πρόγραμμα ModelSim. Να γράψετε δομημένο (structural) πρόγραμμα, με βασικά δομικά στοιχεία καταχωρητές μεγέθους 32 bits, τέσσερις καταχωρητές-μετρητές ίδιου μεγέθους, 8 δομές ουράς ίδιου μεγέθους των 4 θέσεων, 3 αποκωδικοποιητές 5 32 και πύλες τριών καταστάσεων. Ειδικότερα, μπορείτε να προχωρήσετε με τα ακόλουθα βήματα: 1. Υλοποιήστε τους 48 καταχωρητές με διευθύνσεις από $0 έως και $23. Προσέξτε ιδιαίτερα την υλοποίηση των καταχωρητών $0 και $ Υλοποιήστε τους 8 καταχωρητές ουράς με διευθύνσεις από $24 έως και $31. Προσέξτε ότι κάθε ουρά μπορεί να δεχτεί μέχρι δύο αναγνώσεις στον ίδιο κύκλο, αλλά δε μπορεί να δεχτεί ταυτόχρονη ανάγνωση και εγγραφή, ούτε ανάγνωση όταν είναι άδεια, ούτε εγγραφή όταν είναι γεμάτη. 3. Προσθέστε τους αποκωδικοποιητές για τη διευθυνσιοδότηση του ΦΚ. 4. Προσθέστε τα σήματα ελέγχου PCinc για αύξηση των καταχωρητών με διεύθυνση $23, RegRead και RegWrite για επίτρεψη ανάγνωσης και εγγραφής του ΦΚ, threadid για την επιλογή της οκτάδας $16-$23, και CLK. Προσέξτε ιδιαίτερα την περίπτωση εγγραφής στη διεύθυνση $ Προσθέστε τις εξόδους μη επιτρεπτών προσπελάσεων για τους καταχωρητές $24-$ Ελέγξτε την ορθότητα του κυκλώματός σας με κατάλληλα προγράμματα δοκιμής, τα οποία να γράφουν τιμές στο ΦΚ και στη συνέχεια να τις διαβάζουν. Δώστε αυθαίρετες αρχικές τιμές στους τέσσερις καταχωρητές $23.

15 15 Άσκηση 6 Να γράψετε έναν προσομοιωτή συστήματος μνήμης σε γλώσσα προγραμματισμού υψηλού ε- πιπέδου C ή Java, που να περιλαμβάνει ιεραρχία δύο επιπέδων κρυφής μνήμης, με διαχωρισμένες κρυφές μνήμες εντολών και δεδομένων πρώτου επιπέδου, ενοποιημένη κρυφή μνήμη δεύτερου επιπέδου, κύρια μνήμη, δύο TLB για τις δύο κρυφές μνήμες πρώτου επιπέδου, πίνακα σελίδων δύο επιπέδων και δευτερεύουσα μνήμη. Σκοπός της προσομοίωσης είναι η συλλογή στατιστικών ευστοχίας για όλες τις μνήμες του συστήματος, και μόνο αυτή. Ο προσομοιωτής δεν υλοποιεί μέτρηση χρόνου προσπέλασης, ούτε εκτελεί πραγματικές μεταφορές πληροφορίας μέσα στην ιεραρχία. Το πρόγραμμα πρέπει να προσομοιώνει διάφορα μεγέθη κρυφής και κύριας μνήμης, με διάφορα μεγέθη μπλοκ και σελίδων αντίστοιχα, διάφορα μεγέθη TLB, διάφορες οργανώσεις κρυφής μνήμης, αλγόριθμους αντικατάστασης και στρατηγικές ενημέρωσης, ενώ για την κύρια μνήμη θα προσομοιώνει συσχετιστική οργάνωση, LRU αντικατάσταση και ετερόχρονη ενημέρωση. Όλες οι επιλογές πρέπει να δίνονται στο πρόγραμμα ως παράμετροι. Ο πίνακας σελίδων πρέπει να έχει τέτοια δομή, ώστε καθένας από τους επιμέρους πίνακες που τον αποτελούν να χωράει σε μία σελίδα, ενώ οι προσπελάσεις του δεν κάνουν ποτέ προσκόμιση στην ιεραρχία της κρυφής μνήμης, παρά μόνο μεταφέρουν την απεικόνιση που διαβάζεται στην αντίστοιχη TLB. Ο προσομοιωτής πρέπει να ξεκινάει ενεργοποιώντας σελίδες από την αρχή ενός χώρου διευθύνσεων απεικονίζοντάς τες σε τυχαίες ενότητες της κύριας μνήμης, μέχρι να ενεργοποιηθούν όλες οι σελίδες, ή μέχρι να γεμίσει η κύρια μνήμη, αποθηκεύοντας την απεικόνιση στον πίνακα σελίδων. Στη συνέχεια, θα δέχεται λογικές διευθύνσεις από κάποια υποτιθέμενη ΚΜΕ μέσω ενός κατάλληλα διαμορφωμένου αρχείου διευθύνσεων, και θα προσομοιώνει τις αντίστοιχες προσπελάσεις στο σύστημα μνήμης, μία προς μία. Ο προσομοιωτής θα πρέπει στο τέλος να υπολογίζει τους λόγους επιτυχίας Ε όλων των μνημών της ιεραρχίας, και να τους εκτυπώνει κατάλληλα. Προσοχή: Οι εργαστηριακές ασκήσεις παραδίνονται μόνο ηλεκτρονικά. Η παράδοση συνοδεύεται από υποχρεωτική σύντομη επίδειξη.