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La technique du pipeline Génie Électrique 2ème année ENIT 2008 – 2009 Bourguiba

La technique du pipeline Génie Électrique 2ème année ENIT 2008 – 2009 Bourguiba Riadh riad.bourguiba@enit.rnu.tn Bourguiba Riadh - ENIT - Génie Electrique - 2008/2009 2 La technique du pipeline 1. Chemin critique et temps de calcul 2. Rendement théorique 3. Influence des timings d'une bascule D 4. Temps de cycle 5. Pipeline et flot de données 6. Caractéristiques d'un pipeline 7. Analyse des performances 8. Conclusion Bourguiba Riadh - ENIT - Génie Electrique - 2008/2009 3 1. Chemin critique et temps de calcul Considérons un circuit logique purement combinatoire Lorsqu'on applique une donnée en entrée, un certain temps TA est nécessaire avant de voir apparaître le résultat à la sortie. Bourguiba Riadh - ENIT - Génie Electrique - 2008/2009 4 1. Chemin critique et temps de calcul Ce retard est dû à des phénomènes purement physiques : Temps de commutation des transistors Temps de propagation le long des lignes électriques Il est imposé par le chemin critique du circuit, c'est à dire le chemin le plus lent qui existe entre les bits d'entrée et les bits de sortie. En définitive, il constitue le temps de calcul, soit le temps nécessaire au circuit A pour calculer un résultat à partir d'une donnée présentée à l'entrée. Bourguiba Riadh - ENIT - Génie Electrique - 2008/2009 5 La technique du pipeline 1. Chemin critique et temps de calcul 2. Rendement théorique 3. Influence des timings d'une bascule D 4. Temps de cycle 5. Pipeline et flot de données 6. Caractéristiques d'un pipeline 7. Analyse des performances 8. Conclusion Bourguiba Riadh - ENIT - Génie Electrique - 2008/2009 6 2. Rendement théorique Il est bien sûr possible de traiter un flot de données. Les données sont alors présentées en séquence à l'entrée. Bourguiba Riadh - ENIT - Génie Electrique - 2008/2009 7 2. Rendement théorique Généralement, ont encadre le circuit combinatoire pour lui imposer une cadence de travail définie par une horloge clk. Les données sont présentées à l'entrée avec la période T de clk. Bourguiba Riadh - ENIT - Génie Electrique - 2008/2009 8 2. Rendement théorique Le rendement du circuit A peut s'exprimer comme le temps de calcul rapporté à la période de l'horloge : =T A T Bourguiba Riadh - ENIT - Génie Electrique - 2008/2009 9 2. Rendement théorique Il apparaît alors clairement qu'en réduisant T jusqu'à TA, le rendement tend vers son maximum théorique, à savoir 1. Dans ces conditions, le circuit travaille sans temps morts, donc 100% du temps. Bourguiba Riadh - ENIT - Génie Electrique - 2008/2009 10 La technique du pipeline 1. Chemin critique et temps de calcul 2. Rendement théorique 3. Influence des timings d'une bascule D 4. Temps de cycle 5. Pipeline et flot de données 6. Caractéristiques d'un pipeline 7. Analyse des performances 8. Conclusion Bourguiba Riadh - ENIT - Génie Electrique - 2008/2009 11 3. Influence des timings d'une bascule D Toutefois, ce rendement théorique ne peut être atteint, car il faut tenir compte des timings des bascules qui composent les registres TSU (set-up time) : délai minimum entre l'arrivée de la donnée à l'entrée et le front acif. TH (hold time) : délai minimum entre le front actif et la disparition de la donnée à l'entrée. TCO (clock to output time) : délai maximum entre le front actif et la stabilisation de la donnée en sortie. Bourguiba Riadh - ENIT - Génie Electrique - 2008/2009 12 3. Influence des timings d'une bascule D Au temps de calcul (TA), il faut donc ajouter : Le temps de stabilisation (TCO1) de la donnée à l'entrée du circuit A, dû aux bascules du premier registre. Le temps de pré-positionnement (TSU2) du résultat à la sortie du circuit A, dû aux bascules du second registre. Bourguiba Riadh - ENIT - Génie Electrique - 2008/2009 13 3. Influence des timings d'une bascule D Le rendement maximum du circuit s'écrit alors, en supposant que les bascules des deux registres ont les mêmes timings : Ce rendement maximum est bien entendu inférieur au rendement maximum théorique qui vaut 1. Toutefois, il peut s'en approcher sensiblement, si la fonction logique réalisée par le circuit A est complexe et demande un long temps de calcul (TA grand devant TSU et TCO). max=T A T = T A T SUT AT CO 1 Bourguiba Riadh - ENIT - Génie Electrique - 2008/2009 14 La technique du pipeline 1. Chemin critique et temps de calcul 2. Rendement théorique 3. Influence des timings d'une bascule D 4. Temps de cycle 5. Pipeline et flot de données 6. Caractéristiques d'un pipeline 7. Analyse des performances 8. Conclusion Bourguiba Riadh - ENIT - Génie Electrique - 2008/2009 15 4. Temps de cycle Généralement, les outils de CAO définissent le temps de cycle minimum de l'horloge du circuit A comme la somme de ces trois temps : Aussi dans la suite, nous ne raisonnerons plus qu'en termes de temps de cycle. T CA=T SUT AT CO Bourguiba Riadh - ENIT - Génie Electrique - 2008/2009 16 La technique du pipeline 1. Chemin critique et temps de calcul 2. Rendement théorique 3. Influence des timings d'une bascule D 4. Temps de cycle 5. Pipeline et flot de données 6. Caractéristiques d'un pipeline 7. Analyse des performances 8. Conclusion Bourguiba Riadh - ENIT - Génie Electrique - 2008/2009 17 5. Pipeline et flot de données Supposons maintenant qu'en plaçant un registre à l'intérieur du circuit A, il peut être découpé en deux circuits, B et C, présentant des temps de cycle égaux. On appelle cette structure un pipeline, par analogie avec un pipeline réel. En effet, on peut imaginer que les circuits B et C sont deux conduites, que les registres sont des vannes de commande, et enfin que les données constituent le fluide. On parle d'ailleurs de flot de données pour évoquer le passage continu de données à travers un circuit logique. Bourguiba Riadh - ENIT - Génie Electrique - 2008/2009 18 5. Pipeline et flot de données Ce pipeline possède deux étages clairement identifiables. Deux étapes de calcul seront nécessaires. Bourguiba Riadh - ENIT - Génie Electrique - 2008/2009 19 5. Pipeline et flot de données Départ : Le pipeline est vide Bourguiba Riadh - ENIT - Génie Electrique - 2008/2009 20 5. Pipeline et flot de données 1er cycle : La donnée d1B traverse B. Bourguiba Riadh - ENIT - Génie Electrique - 2008/2009 21 5. Pipeline et flot de données 2ème cycle : La donnée d2B traverse B, la donnée d1C traverse C. Bourguiba Riadh - ENIT - Génie Electrique - 2008/2009 22 5. Pipeline et flot de données 3ème cycle : La donnée d3B traverse B, la donnée d2C traverse C. Bourguiba Riadh - ENIT - Génie Electrique - 2008/2009 23 La technique du pipeline 1. Chemin critique et temps de calcul 2. Rendement théorique 3. Influence des timings d'une bascule D 4. Temps de cycle 5. Pipeline et flot de données 6. Caractéristiques d'un pipeline 7. Analyse des performances 8. Conclusion Bourguiba Riadh - ENIT - Génie Electrique - 2008/2009 24 6. Caractéristiques d'un pipeline Temps de cycle minimum : Période d'horloge la plus courte possible. Elle est fixée par l'étage le plus lent. Fréquence de travail maximum : Inverse du temps de cycle minimum. Elle est proportionnelle à la performance du circuit. Latence de calcul : Temps nécessaire pour parcourir tous les étages du pipeline. L=∑ étages T cycle T min=Max étages T cycle F max= 1 T min Bourguiba Riadh - ENIT - Génie Electrique - 2008/2009 25 La technique du pipeline 1. Chemin critique et temps de calcul 2. Rendement théorique 3. Influence des timings d'une bascule D 4. Temps de cycle 5. Pipeline et flot de données 6. Caractéristiques d'un pipeline 7. Analyse des performances 8. Conclusion Bourguiba Riadh - ENIT - Génie Electrique - 2008/2009 26 7. Analyse des performances Analyse des performances : Exploration de tous les chemins combinatoires d'un circuit, afin d'identifier le chemin critique. Ce dernier permet de calculer le temps de cycle minimum, puis la fréquence de travail maximum et enfin d'en déduire les performances en terme de données traitées par unité de temps. Nous allons montrer la supériorité du pipeline par rapport à une implémentation classique : Supposons pour simplifier que le circuit A se découpe en deux circuits B et C présentant les mêmes temps de cycle. Dans ce cas, les temps de cycles sont liés par la relation : T CA=T CBT CC=2⋅T CB=2⋅T CC Bourguiba Riadh - ENIT - Génie Electrique - 2008/2009 27 7. Analyse des performances Calculons ces trois grandeurs dans le cas du circuit combinatoire sans et avec pipeline. Sans pipeline (circuit A) Avec pipeline (circuits B+C) Période minimum Fréquence maximum Latence T CA T CB=T CC=T CA 2 1 T CA 2 T CA T CA 2⋅T CB=2⋅T CC=T CA Bourguiba Riadh - ENIT - Génie Electrique - 2008/2009 28 La technique du pipeline 1. Chemin critique et temps de calcul 2. Rendement théorique 3. Influence des timings d'une bascule D 4. Temps de cycle uploads/Management/ cours-pipeline.pdf