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République du Bénin Université Catholique de l’Afrique de l’Ouest -UUC Plan I.

République du Bénin Université Catholique de l’Afrique de l’Ouest -UUC Plan I. Introduction II. Architecture pipeline  Généralités sur l’architecture pipeline 1. Définition 2. Caractéristiques  Principe du pipeline  Avantages du pipeline  Limitations du pipeline III. Architecture superscalaire  Généralités sur l’architecture superscalaire 1. Définition 2. Caractéristiques  Objectif du superscalaire  Avantages du superscalaire  Limitations du superscalaire IV. Relation entre l’architecture pipeline et l’architecture superscalaire V. Conclusion Introduction Les processeurs RISC (Reduced Instruction Set Computer) sont apparus au début des années 80, grâce au développement des capacités d’intégration VLSI et au développement des technologies de compilation. L’objectif est d’améliorer les performances des processeurs, en déplaçant la frontière entre matériel et logiciel, et en utilisant la technique du pipeline synchrone ainsi que le superscalaire et bien d’autres. Cependant, ces architectures ayant bien des caractéristiques et des principes avantageux ne sont pas sans limite. Nous présenterons ces architectures et donnerons la relation entre ces deux architectures. Architecture pipeline En microarchitecture, un pipeline (ou chaîne de traitement), est En attente l’élément d’un processeur dans temps lequel l’exécution des commandes instructions est découpée en plusieurs étapes. Le premier ordinateur à utiliser cette technique est l’IBM Stretch, conçu en 1961. Qu’est-ce qui caractérise une machine pipeline ? Avec un pipeline, le processeur peut commencer à exécuter une nouvelle Instruction sans attendre que la précédente soit terminée. Chacune des étapes d’un pipeline est appelé étage. Le nombre d’étages d’un pipeline est appelé sa profondeur. Principe du pipeline Le pipeline est un mécanisme permettant d’accroître la vitesse d’exécution des instructions dans un micro-processeur. L’idée générale est d’appliquer le principe du travail à la chaîne à l’exécution des instructions. Dans un micro-processeur sans pipeline, les instructions sont exécutées les unes après les autres. Une nouvelle instruction n’est commencée que lorsque l’instruction précédente est complètement terminée. Avec un pipeline, le micro-processeur commence une nouvelle instruction avant d’avoir fini la précédente. Plusieurs instructions se trouvent donc simultanément en cours d’exécution au cœur du micro-processeur. Le temps d’exécution d’une seule instruction n’est pas réduit. Par contre, le débit du micro- processeur, c’est-à-dire le nombre d’instructions exécutées par unité de temps, est augmenté. Il est multiplié par le nombre d’instructions qui sont exécutées simultanément. Avantages du pipeline Le débit d’instruction augmente. L’augmentation du nombre d’étages de pipeline augmente le nombre d’instructions exécutées simultanément. Une ALU plus rapide peut être conçue lorsque le pipelining est utilisé. Le processeur pipeliné fonctionne à des fréquences d’horloge plus élevées que la RAM. Le pipeline augmente les performances globales du processeur. Limitations du pipeline Dans un exemple donné où des étudiants doivent être inscrits, le pipeline imposait d’augmenter les ressources de traitement. Il en est de même pour une micro-architecture. Avec le pipeline défini ci-dessus, cinq instructions sont simultanément en cours de traitement. Chaque étage doit donc disposer exclusivement de toutes les ressources qui lui sont n´ecessaires. Cette contrainte modifie profond´ement la micro-architecture. Soulignons seulement maintenant quelques conséquences générales. Le débit idéal d’une instruction par cycle n’est possible que si les instructions sont essentiellement ind´ependantes ; elles peuvent alors s’exécuter simultanément lorsque leur sémantique est réellement séquentielle, le pipeline peut être pénalisé. Cette section et la suivante étudient ces limitations, et quelques solutions classiques pour les contourner Architecture superscalaire Un processeur est dit superscalaire s’il est capable d’exécuter plusieurs instructions simultanément parmi une suite d’instructions. Pour cela, il comporte plusieurs unités de calcul, et est capable de détecter l’absence de dépendances entre instructions. Caractéristiques du superscalaire Les caractéristiques principales des processeurs superscalaires multi-pipelines, appelés aussi superscalaires «dans l’ordre». Un processeur superscalaire utilise le parallélisme existant entre les instructions d’un code séquentiel pour lancer l’exécution de plusieurs instructions indépendantes à chaque cycle d’horloge. Les problèmes avec les superscalaires pour les bancs de registres, les accès cache, les prédicteurs de branchement et l’acquisition des instructions sont mentionnés. Des exemples sont détaillés, du Pentium d’Intel à certains coeurs Power d’IBM. Enfin, les performances des superscalaires «dans l’ordre» et des versions «non ordonnées» sont comparées pour des processeurs MIPS, IBM et ARM en termes de vitesse, puissance dissipée et surface. Objectif du superscalaire Un processeur superscalaire cherche à exploiter le parallélisme entre instructions pour accélérer l'exécution des programmes. Cette approche évite de modifier les programmes pour exploiter le parallélisme : le processeur détecte lui-même les instructions pouvant être exécutées en parallèle, contrairement à d’autres approches, comme le VLIW. Cependant, cette approche augmente aussi la complexité et la consommation d’énergie du matériel, ce qui limite les processeurs actuels à quelques instructions par cycle. Pour exploiter encore mieux le parallélisme disponible, on utilise donc des instructions vectorielles et des processeurs multithreads ou multicœurs. Avantages de l’architecture superscalaire: Le compilateur peut éviter de nombreux dangers grâce à une sélection et un ordre judicieux des instructions. Le compilateur doit s’efforcer d’entrelacer les instructions à virgule flottante et entières. Cela permettrait à l’unité de répartition de garder à la fois les unités entières et à virgule flottante occupées la plupart du temps. En général, des performances élevées sont atteintes si le compilateur est capable d’organiser les instructions du programme pour tirer le meilleur parti des unités matérielles disponibles. Limitations du superscalaire Les limites du processeur superscalaire sont importantes car la difficulté de planifier l’instruction devient complexe. Le parallélisme intrinsèque dans le flux d’instructions, la complexité, le coût et le problème des instructions de branchement sont résolus par une architecture de jeu d’instructions supérieure appelée Very Long Instruction Word (VLIW) ou VLIW Machines. Relation entre l’architecture pipeline et superscalaire Le principe du pipeline est d’exécuter simultanément les différentes phases d'une instruction. Le débit en instructions par cycle est au mieux 1. Le temps de cycle est déterminé par la durée commune de chaque étage, qui est elle même fixée par le temps de traversée du circuit combinatoire le plus long. La performance de l’architecture est alors bornée par la technologie de la circuiterie. Pour obtenir un débit supérieur à une instruction par cycle, il faut modifier l’architecture. Deux solutions sont possibles : le superpipeline et le superscalaire. Une architecture superpipelinée fractionne chaque étage du pipeline, donc augmente le nombre d’étages du pipeline. Cette technique est largement employée, en particulier pour gérer la complexité croissante du contrôle et des accès mémoire. Elle a cependant des limites technologiques. Même s’il est possible de pipeliner l’UAL, par exemple 2 cycles, l’évolution de la circuiterie tend à diminuer proportionnellement plus les temps de propagation à l’intérieur de l’UAL que ceux liés aux registres ; par exemple, dans l’UltraSparcIII à 600 MHz, le surcoût registre est de l’ordre de 30% du temps de cycle). Le surcoût introduit par le tamponnement indispensable entre deux étages de pipeline tend à annuler les gains d’un superpipeline trop fin. Conclusion L’évolution exponentielle de la technonologie des circuits intégrés modifie exponentiellement vite les conditions matérielles de la réalisation d’une architecture logicielle. Dans les années 80, l’essentiel de la complexité de la conception d’un microprocesseur était concentrée, hors les aspects proprement microélectroniques, dans la microprogrammation de la partie contrôle, donc dans des optimisations fines et locales. Actuellement, l’architecte doit organiser en une structure efficace un nombre considérable de sous-structures elles mêmes très complexes. uploads/Ingenierie_Lourd/ architecture-superscalaire-et-pipeline.pdf