Procesamiento Superescalar

PROCESAMIENTO SUPERESCALAR

PROCESAMIENTO SUPERESCALAR

I. Historia.
La CDC 6600 de Seymour Cray, construida en 1965, es la primera arquitectura superescalar, siendo llevado el concepto a las microcomputadoras en las CPUs RISC. Esta posibilidad venía dada por la simpleza de los núcleos RISC, permitiendo meter más unidades de ejecución en un mismo chip. Esta fue una de las razones de larapidez de los sistemas RISC frente a los más antiguos CISC durante las décadas de los 80 y los 90, pero a medida que los procesos de fabricación mejoraron y se pudieron meter más y más transistores en el mismo chip, hasta diseños complejos como el IA-32 pudieron ser superescalares.
La inmensa mayoría de las CPUs desarrolladas desde 1998 son superescalares. Llegados a un punto en que la mejorasustancial de la unidad de control y despachamiento parece imposible, ya no parece que los diseños superescalares puedan dar más de sí. Una de las posibles soluciones es trasladar la lógica de despachamiento desde el chip hasta el compilador, que puede invertir mucho más tiempo en tomar las mejores decisiones posibles, ya que no tiene que operar en tiempo real como tenía que hacer el hardware dedespachamiento. Este es el principio básico de los procesadores VLIW (Very Long Instruction Word), donde el paralelismo es explicitado por el formato de instrucción, también conocidos como superescalares estáticos.
II. Definición.
El procesamiento superescalar es la última de una serie de innovaciones tendientes a producir procesadores cada vez más rápidos. Explotando el paralelismo a nivel deinstrucción, los superescalares son capaces de ejecutar más de una instrucción por ciclo de reloj (dos, tres, cuatro, ocho ya es mucho).
Los procesadores superescalares pueden iniciar la ejecución simultánea de varias instrucciones escalares en paralelo de manera que se pueden operar varios elementos de un vector dentro de una misma iteración. Para esto, es necesario que existan varias unidadesaritmético-lógicas, de punto flotante y de control.
Como puede iniciarse la ejecución de varias instrucciones en el mismo ciclo, puede alcanzarse una productividad mayor que una instrucción por ciclo de reloj.

III. Importancia.

Lo esencial del enfoque superescalar es su habilidad para ejecutar instrucciones en diferentes cauces de manera independiente y concurrente. El concepto puedellevarse más lejos permitiendo que las instrucciones se ejecuten en un orden diferente al del programa. La siguiente figura muestra, en términos generales, el planteamiento superescalar. Hay múltiples unidades funcionales, cada una de las cuales está implementada como un cauce segmentado, que admiten la ejecución en paralelo de varias instrucciones. En el ejemplo, dos operaciones enteras, dos de comaflotante y una de memoria (carga o almacenamiento) pueden estar ejecutándose en el mismo instante.

Banco de Registros de Enteros
Banco de Registros de Coma Flotante
Memoria
Unidades Funcionales Segmentadas

IV. Limitaciones:

La aproximación superescalar depende de la habilidad para ejecutar múltiples instrucciones en paralelo. La expresión “paralelismo en las instrucciones” se refiereal grado en el que, en promedio, las instrucciones de un programa se pueden ejecutar en paralelo. Antes de examinar las técnicas de diseño utilizadas en las máquinas superescalares para aumentar el paralelismo a las que el sistema tiene que enfrentarse enumeraremos 5 limitaciones:

* Dependencia de datos verdadera.
* Dependencia relativa al procedimiento.
* Conflicto en los recursos.* Dependencia de salida.
* Antidependencia.

En este caso sólo examinaremos las 3 primeras limitaciones.

a. Dependencia de Datos Verdadera: Consideremos la siguiente secuencia:

add r1, r2 ; Cargar el registro r1 con el contenido de r2 más el contenido de r1.

move r3, r1 ; Cargar el registro r3 con el contenido de r1.

La segunda instrucción se puede captar y decodificar,...