Arquitectura de Computadoras I S7 07 Superescalar 2

ERA Ingeniería

8 Sept 202105:43

Summary

TLDREl script discute las diferentes arquitecturas de procesadores, destacando la evolución desde la arquitectura segmentada común hasta la super escalar. Se describe cómo la arquitectura de cuatro etapas permite ejecutar múltiples instrucciones en un solo ciclo, mientras que la super segmentada mejora la eficiencia al realizar operaciones en medio de ciclos de reloj. La arquitectura super escalar se destaca por su capacidad para ejecutar dos instrucciones a la vez, pero presenta desafíos como la dependencia del paralelismo de instrucciones y los conflictos de recursos. El script también menciona las dependencias de datos y procedimentales, como los riesgos de control y los conflictos cuando múltiples instrucciones intentan acceder a la memoria simultáneamente. Finalmente, se alude a temas más avanzados como las dependencias de salida y anti-dependencias que se explorarán en procesadores más complejos.

Takeaways

📈 La arquitectura segmentada común y corriente permite separar una instrucción en etapas distintas, como la etapa de instrucción, de colo, de ejecución y de escritura.
🔄 Una arquitectura de cuatro etapas permite que en un ciclo dado, se ejecuten cuatro instrucciones diferentes, aprovechando los mismos recursos de la arquitectura.
⏱️ La arquitectura super segmentada permite realizar operaciones a mitad de ciclos de reloj de la instrucción, mejorando la eficiencia al comenzar la siguiente instrucción antes de que la anterior termine.
🚀 La arquitectura super escalar duplica los recursos de la arquitectura, permitiendo ejecutar dos instrucciones a la vez, lo que aumenta significativamente la velocidad de procesamiento.
🔗 La dependencia del paralelismo a nivel de instrucción es una limitación de la arquitectura super escalar; las instrucciones deben tener pocas dependencias de datos y procedimentales.
🔄 Las dependencias procedimentales, como los riesgos de control en un branch, pueden causar que se carguen instrucciones innecesarias en la ejecución de un programa.
🤔 Los conflictos de recursos son un problema en la arquitectura super escalar, donde dos instrucciones pueden intentar acceder a la memoria simultáneamente, lo que puede causar cuellos de botella.
📚 Se mencionan dependencias de salida y anti-dependencias, que son conceptos avanzados que se explorarán en mayor profundidad en procesadores con arquitecturas super escalares.
🛠️ La arquitectura super escalar requiere un diseño cuidadoso para gestionar eficientemente las múltiples instrucciones y recursos para evitar conflictos y maximizar el rendimiento.
⚙️ La eficiencia de la arquitectura super escalar depende en gran medida de la capacidad del procesador para manejar paralelismo y reducir las dependencias entre instrucciones.
🌟 A pesar de sus desafíos, la arquitectura super escalar ofrece una gran ventaja en términos de velocidad y rendimiento en aplicaciones donde se puede aprovechar el paralelismo de instrucciones.

Q & A

¿Cuáles son las diferentes arquitecturas de procesador mencionadas en el guión?
-Las arquitecturas de procesador mencionadas son: segmentada común y corriente, procesador segmentado, procesador mixto segmentado y super escalar.
¿Qué etapas componen un ciclo de instrucción en una arquitectura de cuatro etapas?
-Las etapas son: la etapa de instrucción (fetch), la etapa de解码 (decode), la etapa de ejecución (execution) y la etapa de escritura (writeback).
¿Cómo se ejecutan las instrucciones en una arquitectura de cuatro etapas?
-En una arquitectura de cuatro etapas, cada ciclo puede ejecutar cuatro instrucciones diferentes, utilizando los mismos recursos de manera eficiente.
¿Qué es lo que permite hacer la arquitectura super segmentada?
-La arquitectura super segmentada permite realizar operaciones a mitad de ciclos de reloj de la instrucción, lo que permite comenzar la siguiente instrucción antes de que la anterior haya terminado.
¿Cuál es la ventaja principal de la arquitectura super escalar?
-La arquitectura super escalar multiplica los recursos de la arquitectura, permitiendo ejecutar instrucciones en parejas y mejorando el rendimiento.
¿Cuáles son las limitaciones de la arquitectura super escalar?
-Las limitaciones incluyen la dependencia del paralelismo a nivel de instrucción, la necesidad de que las instrucciones tengan pocas dependencias de datos y procedimentales, y el riesgo de conflictos de recursos.
¿Qué son las dependencias procedimentales y cómo afectan a la ejecución de instrucciones?
-Las dependencias procedimentales son situaciones en las que la ejecución de un conjunto de instrucciones se ve afectada por una rama (branch) que hace saltar la ejecución a otro conjunto de código. Esto puede resultar en la carga de instrucciones innecesarias.
¿Qué son los conflictos de recursos y cómo surgen en una arquitectura de procesador?
-Los conflictos de recursos ocurren cuando dos o más instrucciones intentan acceder a un mismo recurso, como la memoria, al mismo tiempo, lo que puede causar bloqueos o retrasos en la ejecución.
¿Qué son las dependencias de salida y anti-dependencias en un procesador?
-Las dependencias de salida y anti-dependencias son formas avanzadas de dependencias en las que la salida de una instrucción afecta la entrada de otra, y viceversa, lo que puede influir en la secuencia y velocidad de la ejecución de instrucciones.
¿Cómo se puede mejorar la eficiencia en una arquitectura de procesador?
-La eficiencia se puede mejorar a través de técnicas como la super segmentación, que permite ejecutar partes de instrucciones en mitad de ciclos de reloj, y la super escalar, que duplica los recursos para ejecutar instrucciones en parejas.
¿Por qué es importante entender las diferentes etapas del ciclo de vida de una instrucción en un procesador?
-El conocimiento de las diferentes etapas del ciclo de vida de una instrucción es crucial para diseñar y optimizar procesadores que ejecuten instrucciones de manera eficiente, reduzcan los tiempos de espera y mejoren el rendimiento general del sistema.
¿Cómo la arquitectura de procesador afecta el rendimiento de un sistema informático?
-La arquitectura de procesador直接影响 el rendimiento del sistema informático al determinar cómo se ejecutan y se gestionan las instrucciones. Un procesador bien diseñado puede mejorar significativamente la velocidad y la eficiencia del procesamiento de datos.

Outlines

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😀 Arquitecturas de Procesadores: Segmentada y Super Segmentada

En este párrafo se compara la arquitectura segmentada común y corriente con la arquitectura super segmentada. Se explica que en la arquitectura segmentada, una instrucción se divide en diferentes etapas (fecha, de colo, kirchner y escritura) y se ejecutan 4 instrucciones en 4 ciclos. En la arquitectura super segmentada, se pueden realizar operaciones a mitad de ciclos de reloj, lo que permite iniciar la siguiente instrucción antes de que la anterior haya terminado. Esto se logra dividiendo el ciclo de reloj en partes bajas y altas. Sin embargo, la super segmentación tiene limitaciones, como la dependencia del paralelismo a nivel de instrucción y la existencia de pocas dependencias de datos y procedimentales.

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😨 Arquitectura Super Escalar: Ventajas y Limitaciones

Este párrafo se enfoca en la arquitectura super escalar, que consiste en multiplicar los recursos de la arquitectura por dos para ejecutar dos instrucciones a la vez. Esto proporciona una gran ventaja en términos de rendimiento. Sin embargo, también tiene limitaciones, como la alta dependencia del paralelismo a nivel de instrucción, la necesidad de que las instrucciones tengan pocas dependencias de datos y procedimentales, y los riesgos asociados a los saltos de control (branches) y los conflictos de recursos, como dos instrucciones intentando acceder a la memoria al mismo tiempo.

Mindmap

Keywords

💡Arquitectura segmentada

La arquitectura segmentada es una forma de diseño de procesadores donde las instrucciones se dividen en etapas distintas, como la etapa de instrucción, de colo, de ejecución y de escritura. Este concepto es fundamental en el video, ya que se utiliza para comparar diferentes arquitecturas de procesadores. En el script, se menciona que una arquitectura de cuatro etapas permite ejecutar cuatro instrucciones diferentes en un solo ciclo.

💡Procesador segmentado

Un procesador segmentado hace referencia a un tipo de procesador que sigue el modelo de arquitectura segmentada, donde las instrucciones se ejecutan en secuencias definidas. Este término se relaciona con la manera en que se estructura el procesamiento de información en el procesador y cómo se comparan con otras arquitecturas más avanzadas en el video.

💡Arquitectura super segmentada

La arquitectura super segmentada es una evolución de la arquitectura segmentada que permite ejecutar operaciones a mitad de ciclos de reloj de la instrucción. Esto significa que una parte de la instrucción puede comenzar en una fase del ciclo y la siguiente instrucción puede iniciar en la siguiente fase. En el video, se destaca cómo esta arquitectura mejora la eficiencia del procesador.

💡Ciclo de reloj

El ciclo de reloj es la unidad de tiempo en la que se mide la velocidad de un procesador, y es fundamental para entender cómo se ejecutan las instrucciones en un procesador. En el contexto del video, los ciclos de reloj son clave para la super segmentación, donde se busca ejecutar partes de instrucciones en mitades de ciclos para mejorar el rendimiento.

💡Arquitectura super escalar

La arquitectura super escalar se caracteriza por duplicar los recursos de la arquitectura para ejecutar instrucciones en parejas, lo que significa que dos instrucciones se pueden ejecutar simultáneamente. Este enfoque se discute en el video como una forma de aumentar significativamente la velocidad de procesamiento. Sin embargo, también se mencionan sus limitaciones, como la dependencia del paralelismo a nivel de instrucción.

💡Dependencias de datos

Las dependencias de datos son situaciones en las que la ejecución de una instrucción depende de los resultados de una anterior. En el video, se señala que en arquitecturas super escalares es importante que las instrucciones tengan pocas dependencias de datos para evitar retrasos en la ejecución. Un ejemplo sería cuando una instrucción necesita la salida de otra antes de comenzar.

💡Dependencias procedurales

Las dependencias procedurales, también conocidas como riesgos de control, ocurren cuando la ejecución de un conjunto de instrucciones se ve afectada por una decisión condicional, como un salto o una rama en el flujo de la ejecución. En el video, se discuten estos riesgos en el contexto de las arquitecturas super escalares, donde un branch puede causar saltos que afecten el rendimiento.

💡Conflictos de recursos

Los conflictos de recursos son situaciones en las que múltiples instrucciones compiten por el mismo recurso del procesador, como la memoria. Estos conflictos se mencionan en el video como uno de los desafíos en arquitecturas super escalares, donde la duplicación de recursos no siempre puede resolver el problema si hay instrucciones compitiendo por el mismo acceso.

💡Dependencias de salida

Las dependencias de salida son un tipo de dependencia en la que la salida de una instrucción afecta la entrada de otra. Aunque no se mencionan explícitamente en el script proporcionado, son un concepto avanzado relacionado con las dependencias en procesadores y son importantes para entender los riesgos en las arquitecturas super escalares.

💡Anti-dependencias

Las anti-dependencias son un tipo de dependencia donde una instrucción necesita evitar el resultado de otra que aún está siendo ejecutada. Estas también no se mencionan directamente en el script, pero son relevantes al discutir las complejidades en la ejecución de instrucciones en paralelo en procesadores avanzados.

💡Ejecución de instrucciones

La ejecución de instrucciones es el proceso mediante el cual un procesador lleva a cabo las tareas definidas por un programa. En el video, este proceso es central, ya que se explora cómo diferentes arquitecturas de procesador afectan la velocidad y eficiencia con la que se ejecutan las instrucciones, con el objetivo de maximizar el rendimiento.

Highlights

Comparamos diferentes arquitecturas de procesadores: segmentada común y corriente, procesador segmentado, procesador mixto segmentado.

Una instrucción puede ser separada en diferentes etapas: fecha, de colo, kirchner y escritura.

Arquitectura de 4 etapas permite ejecutar 4 instrucciones diferentes en un ciclo dado.

Arquitectura super segmentada permite hacer operaciones a mitad de ciclos de reloj de la instrucción.

En la super segmentada, una parte de la instrucción se puede ejecutar en la parte baja del ciclo y comenzar la siguiente en la parte alta.

La super segmentada permite ejecutar la instrucción de fecha en medio del ciclo en lugar de al final.

Arquitectura super escalar multiplica los recursos de la arquitectura para ejecutar instrucciones en parejas.

La arquitectura super escalar permite ejecutar 2 instrucciones a la vez.

Limitación de la super escalar: depende del paralelismo a nivel de instrucción.

Instrucciones en super escalar deben tener pocas dependencias de datos y procedimentales.

Dependencias procedimentales son riesgos de control al ejecutar un conjunto de instrucciones y encontrar un branch.

Conflictos de recursos en super escalar cuando dos instrucciones intentan acceder a la memoria a la vez.

Se presentarán dependencias de salida y anti-dependencias en procesadores avanzados.

Arquitecturas estudiadas incluyen segmentada común y corriente, segmentado, mixto segmentado, super segmentado y super escalar.

Evolución de las etapas de una instrucción en diferentes arquitecturas.

Ventaja de la arquitectura super escalar al ejecutar instrucciones en parejas.

Limitaciones de la super escalar relacionadas con paralelismo, dependencias de datos y procedimentales.

Conflictos de recursos en super escalar al acceder a la memoria.

Dependencias de salida y anti-dependencias en procesadores avanzados.