Aula_010 - Arquiteturas Avançadas

5/26/2018 Aula_010 - Arquiteturas Avan adas

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Professores:

Lcia M. A. DrummondSimone de Lima Martins

Aula 10

Contedo:

Arquiteturas Avanadas

-Arquiteturas RISC -Processamento Paralelo


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Arquiteturas RISC

Reduced Instruction Set Computer se contrape arquiteturas at ento predominantes - CISC -Complex Instruction Set Computer


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Arquiteturas RISC

Desenvolvimento por trs caminhos:

Projeto da IBM, desenvolvido em meados da dcada de 1970,sem sucesso comercial. A IBM ganhou mercado por volta de

1990 com os processadores RS/6000 e posteriormente com afamlia POWER PC, desenvolvida em conjunto com a Motorolae com a Apple.

Estudos em Stanford, por John Hennessy, que redundaramnos processadores Mips.

Estudos em Berkley, por David Patterson, que redundaramem processadores desenvolvidos pela Sun


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Arquiteturas RISC

Alguns estudos verificaram:

Linguagem de alto nvel com comandos poderosos parafacilitar a vida dos programadores

Gap semntico: separao acentuada entre operaesde linguagem de alto nvel e em linguagem de mquina

Compiladores complexos

Solues:

Aumentar a quantidade de instrues Incluir mais modos de endereamento

Utilizar mais microprogramao

CISC


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Arquiteturas RISC

Vrios pesquisadores realizaram estudos sobre comportamentodo programa. Em 1982, Patterson fez uma pesquisa analisandoprogramas cientficos, de emprego geral e de editorao.

(Fig. 11.2 do livro texto)

Comando

Assign

Loop

Call

IFGoto

Outros

Pascal

Ocorrncia

C

45%

5%

15%

29%

6%

38%

3%

12%

43%3%

1%

Pascal

Peso nas inst. mq.

C

23%

42%

31%

11%

3%

13%

32%

33%

21%

1%

Pascal C

14%

33%

44%

7%

2%

15%

26%

45%

13%

1%

Peso em ref. MP


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Arquiteturas RISC

Outros estudos chegaram a mesma concluso:

Necessidade de aperfeioar o Hw para atender demanda de recursos

No eram necessrias tantas instrues de mquina,se apenas algumas delas eram utilizadas na maioriados programas

Muitas instrues significa muitos bits em cada cdigode operao - instruo com maior comprimento, mais

tempo de interpretao

Desenvolvimento de arquiteturas RISC


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Arquiteturas RISC


Sistemas

CISC 16

Tipo Ano Qtde. inst. Qtde. reg. Tamanho inst.

IBM /370-168

Intel 80486

Intel Pentium

Power PC 601

Sparc 10

Apha 21064

CISC

CISC

RISC

RISC

RISC

1973

1989

1993

1993

1987

1992

208

147

150

184

52

125

8

8

32-I 32-PF

at 528

32-I 32-PF

16-48 bits

1-17 bits

1-17 bits

32 bits

32 bits

32 bits


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Arquiteturas RISC - Caractersticas

Menor quantidade de instrues e tamanho fixo

Execuo otimizada, o sistema deve produzir resultadoscom melhor desempenho, mesmo considerando que umamenor quantidade de instrues v conduzir a programasmais longos

Facilidade na busca e incremento do CI


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Execuo otimizada de chamada de funes

Utilizao de registradores para passagem de parmetrose recuperao dos dados

Enquanto em arquiteturas CISC eram necessriasleitura e escrita na memria principal

RISC: Mais registradores j que ocorre a reduo decircuitos para decodificao e execuo de instrues


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Menor quantidade de modos de endereamento

Apenas dois tipos de instruo para acesso memria:LOAD/STORE (utilizando modo direto)

Reduo de ciclos de relgio para execuo das demaisinstrues


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Modo de execuo com Pipelining

Uso altamente produtivo do pipeline

Instrues de formatos simples e nicos tiram maior proveitodo pipeline - estgios consomem o mesmo tempo

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Caracterstica Consideraes

Menor quantidade deinstrues que as mquinasCISC

Execuo otimizada dechamada de funes

Menor quantidade de modosde endereamento

Utilizao em larga escalade pipelining

Simplifica o processamento de cada instruo e torna este item mais eficaz.

Embora o processador RS/600 possua 184 instrues, ainda assim bem menos que as 303 instrues dos sistemas VAX-11. Alm disso, a maioria das instrues realizada em 1 ciclo de relgio, o que considerado o objetivo maior dessa arquitetura.

As mquinas RISC utilizam os registradores da UCP (em maior quantidade que os processadores CISC) para armazenar parmetros e variveis em chamadas de rotinas e funes. Os processadores CISC usam mais a memria para a tarefa.

As instrues de processadores RISC so basicamente do tipo Load/Store, desvio e de operaes aritmticas e lgicas, reduzindo com isso seu tamanho.

A grande quantidade de modos de endereamento das instrues de

processadores CISC aumenta o tempo de execuo das mesmas.

Um dos fatores principais que permite aos processadores RISCatingir seu objetivo de completar a execuo de uma instruo pelo

menos a cada ciclo de relgio o emprego de pipeliningem larga escala.

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Arquiteturas RISC -Medidas de Desempenho

MIPS - milhes de instrues por segundo. No uma boamedida para comparar RISC com CISC. RISC mais instruessimples.

MFLOPS - milhes de operaes de ponto-flutuante por segundo.Unidade mais apropriada para medir a velocidade com clculosmatemticos: programas cientficos, clculos meteorolgicos.

Os programas usados para teste so escritos em FORTRAN.

SPECmark - (system performance evaluation committee) - 10programas - 6 com clculos matemticos e 4 com operaesde inteiros e caracteres (escritos em C e Fortran). Medidas emSPECmark, composio dos resultados.

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Arquiteturas RISC -Observaes RISC x CISC

CISC:

Menos instrues produz cdigo-objeto menor?

No, necessariamente, as instrues podem ser maiores

Com menos instrues o programa executa mais rapidamente?

No, necessariamente, o tempo de execuo de cada instruopode ser grande

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Arquiteturas RISC -Observaes RISC x CISC

RISC:

Instrues possuem cdigo de operao com menorquantidade de bits - tempo de decodificao menor

Instrues executadas diretamente pelo hardware e nopor um microprograma - execuo mais rpida

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Processamento Paralelo

Computador: mquina seqencial

Algoritmo: seqncia de instrues

Processadores: executam instrues seqencialmente

Instrues: executada por seqncia de operaes(busca, execuo, armazenamento)

Viso no totalmente verdadeira!

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Nvel de microoperaes: vrios sinais de controle geradosao mesmo tempo

Tcnica de pipeline: sobreposio de etapas de execuo

Mquinas superescalares: diversas unidades de execuo emum mesmo processador, que podem executar vrias instruesde um mesmo programa em paralelo

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Multiprocessadores simtricos: mltiplos processadorescompartilhando memria

Clusters: diversos computadores independentes, conectadosentre si, organizados de forma cooperativa

Mquinas de acesso no uniforme memria (NUMA):multiprocessador no qual o tempo gasto para acesso memria varia de acordo com a posio da palavra na memria

Outras oportunidades de explorao de paralelismo para melhoraro desempenho:

Mquinas vetoriais: otimizam a ULA para processamento de vetores de ponto-flutuante

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SISD - nico processador executa uma nica seqncia deinstruo sobre dados armazenados em uma nica memria.

SIMD - vrios elementos de processamento. Cada um tem

uma memria de dados. Cada instruo executada sobreum conjunto de dados diferente. Processadores vetoriais ematriciais.

MISD - seqncia de dados transmitida para um conjuntode processadores, cada um dos quais executa uma seqnciade instrues diferente. Nunca foi implementado.

Taxonomia de Flynn (1972)

MIMD - conjunto de processadores executa simultaneamenteseqncias diferentes de instrues. SMPs, clusters, sistemasNUMA.

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(Fig. 16.1 do livro de Arquitetura e Organizao de Computadores" , William Stalling)

Organizaes de processadores

nica instruo,nico dado (SISD)

nica instruo,mltiplos dados (SIMD)

Mltiplas instrues,nico dado (MISD)

Mltiplas instrues,mltiplos dados (MIMD)

Processadoresvetoriais

Uniprocessador

Processadoresmatriciais

Memria compartilhada(fortemente acoplados)

Memria distribuda(fracamente acoplados)

Multiprocessadorsimtrico (SMP)

Sistemas com acessono-uniforme

memria (NUMA)

Clusters

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UC UP UMSI SD

(a) SISD


(b) SIMD (com memria distribuda)

UC

EP1

EP2

EPn

.

.

.

ML1

ML2

MLn

SD

SD

SD

SI

(d) MIMD (com memria distribuda)

UC1

UC2

UCn

..

.

EP1

EP2

EPn

SI

SI

SI

SD

SD

SD

ML1

ML2

MLn

Rededeinterconexo

(c) MIMD (com memria compartilhada)

UC1

UC2

UCn

..

.

EP1

EP2

EPn

SI

SI

SI

SD

SD

SD

Mem

ria

compar

tilhada

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Processamento Paralelo -Multiprocessadores Simtricos

Caractersticas:

Existem 2 ou mais processadores similares

Processadores compartilham memria

Compartilham acesso aos dispositivos de E/S

Todos os processadores podem desempenhar a mesma funo

Sistema controlado por SO integrado Exemplo: IBM S/390, at 10 processadores.

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P t P l l


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Processamento Paralelo -Multiprocessadores Simtricos Vantagens em relao a uniprocessadores:

Desempenho: se o trabalho efetuado pelo computador podeser organizado de forma que algumas pores possam serfeitas em paralelo, ento um sistema com mltiplosprocessadores resulta em maior desempenho.


Tempo

(b) Tempo compartilhado e sobreposio (multiprocessamento)

Processo 1Processo 2

Processo 3

(a) Tempo compartilhado (multiprogramao)

Processo 3

Processo 2

Processo 1

Em execuoBloqueado

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Processamento Paralelo -Multiprocessadores Simtricos

Vantagens em relao a uniprocessadores:

Disponibilidade: a falha de um processador no causa aparada do sistema. O sistema pode continuar a funcionar

com desempenho reduzido.

Crescimento incremental: para aumentar o desempenhopode se adicionar processador

Escalabilidade: fabricantes podem oferecer uma larga faixade produtos com caractersticas de desempenho e custodiferentes, com base no nmero de processadores

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Processamento Paralelo -Multiprocessadores Simtricos Organizao:

Dois ou mais processadores (ULA, UC, registradores, cache) Memria e dispositivos de E/S compartilhados Processadores podem se comunicar por meio da memria

(mensagens e informaes armazenadas em reas comuns)


...Rede de interconexo

Processador Processador Processador

E/S

Memria principal

E/S

E/S

...

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Processamento Paralelo - Clusters

Grupo de computadores completos interconectados,trabalhando juntos, como um recurso computacional unificado

Benefcios:

Escalabilidade absoluta: possvel criar clusters muito grandes,dezenas de mquinas (cada mquina pode ser ummultiprocessador)

Escalabilidade incremental: possvel expandi-lo de formaincremental

Alta disponibilidade: falha de um n do cluster no significaperda total do servio. Tolerncia a falhas.

Melhor relao custo/ desempenho: facilidade de construir osistema a partir de ns bsicos comercialmentedisponveis

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C


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Processamento Paralelo - Clusters

Configuraes: classificao baseada na forma como oscomputadores do cluster compartilham acesso aos discos.


(a) Servidor independente, sem compartilhamento de discos

(b) Discos compartilhados

Ligao de alta velocidade para troca de mensagens

P

E/S E/S

P

M

P

M E/S

P

E/S

RAID

Ligao de alta velocidade para troca de mensagens

M E/S E/S

E/SPP PPE/S

ME/SE/S

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Processamento Paralelo -Clusters x SMP

SMP:

Mais prximo do modelo de um nico processador para o quala maior parte das aplicaes foi escrita

Requer menos espao fsico e suprimento de energia que umcluster comparvel

Clusters:

Muito superiores em relao escalabilidade absoluta eincremental

Superiores em relao disponibilidade, todos os componentesdo sistema so altamente redundantes

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Processamento Paralelo - NUMA

Definies:

Acesso uniforme memria (UMA): todos os processadorestm acesso a todas as partes da memria principal. O tempode acesso o mesmo - SMP.

Acesso no uniforme memria (NUMA): Todos osprocessadores tm acesso a todas as partes da memriaprincipal. O tempo de acesso difere em relao posioe processador.

NUMA com coerncia de cache (CC-NUMA): um sistemaNUMA no qual mantida coerncia de cache entre asmemrias cache dos vrios processadores. Ex: Origin daSilicon Graphics, at 1024 processadores

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Processamento Paralelo - NUMA

Motivao:

Em sistemas SMP existe um limite prtico para o nmero deprocessadores que podem ser usados

Um esquema de cache efetivo reduz o trfego no barramento

entre qualquer processador e a memria principal. A medidaque aumenta o trfego no barramento, este passa a constituirum gargalo de desempenho do sistema.

A degradao limita o nmero de processadores

Cluster: resolve o problema, mas a aplicao deve seradaptada ao ambiente

CC-NUMA grande rea de memria no sistema, permitindovrios ns multiprocessadores, cada qual com o seuprprio barramento

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Processamento Paralelo - CC-NUMA


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Processamento Paralelo CC NUMAOrganizao:

Cada n do sistema inclui uma memria principal, mas do ponto de vista dos processadores existe uma nica memria enderevel, com

cada posio de memria tendo um endereo nico em todo o sistema.

(Fig. 16.10 do livro de Arquitetura e Organizao

de Computadores" , William Stalling)

Rede de

interconexo

. . .

E/S

Cache L2 Cache L2 Diretrio

Cache L1

Processador1-1

Cache L1

Processador1-m

Memria

principal 1

Cache L2 Cache L2

. . .

E/S

Cache L2 Cache L2 Diretrio

Cache L1

Processador2-1

Cache L1

Processador2-m

Memria

principal 2

. . .Cache L2 Cache L2 E/S

Diretrio

Cache L1

ProcessadorN-1

Cache L1

ProcessadorN-m

Memria

principal N

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Processamento Paralelo - CC-NUMA

Considerao:

Disponibiliza desempenho efetivo em nveis de paralelismomais altos que o fornecido por sistemas SMP, sem requerer

mudanas substanciais no software.

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Processamento Paralelo -Computao Vetorial

Computadores capazes de resolver problemas matemticosrelativos a processos reais em: aerodinmica, sismologia,meteorologia e fsica atmica, nuclear e de plasma.

Problemas efetuam repetidas operaes aritmticas deponto-flutuante em grandes vetores de nmeros

Supercomputadores muito custosos, otimizados paracomputao vetorial, projetados para efetuar centenas

de milhes de operaes de ponto flutuante por segundo

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Abordagens:

ULA com pipeline de operaes (vector processor)

(Fig. 16.13(a) do livro de Arquitetura e Organizao de Computadores" , William Stalling)

Memria

Registradoresde entrada ULA com pipelinede operaes

Registrador

de sada

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ULAs paralelas (array processor)

(Fig. 16.13(b) do livro de Arquitetura e Organizao de Computadores" , William Stalling)

Memria

Registradores

de entrada

Registrador

de sada

ULA

ULA

ULA

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Processadores Paralelos: mltiplos processadores trabalhandode forma cooperativa sobre uma dada tarefa


Uniprocessador ULA com pipeline

de operaes

ULAs paralelas

Unidade de controle nica

Multiprocessador Processadores

paralelos

Mltiplas unidadesde controle

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Bibli fi


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Bibliografia

Arquiteturas RISC: Introduo Organizao de Computadores -

Mrio A. Monteiro - LTC- Captulo 11

Processamento Paralelo: Arquitetura e Organizao de

Computadores - William Stalling - Prentice-Hall - Captulo 16

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E i


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Exerccios

Arquiteturas RISC: Introduo Organizao de Computadores -

Mrio A. Monteiro - LTC- Captulo 11

Exerccios: 1, 2 ,3, 4 e 6

Processamento Paralelo: Arquitetura e Organizao de

Computadores - William Stalling - Prentice-Hall - Captulo 16

Exerccio: 16.8

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