LISTE DES JUGES DU SAMEDI 7 MAI 2016

Infra-estrutura de Hardware
Lista de Exercícios – Pipeline – 2014-1
O objetivo desta aula será a utilização de simuladores que emulam o comportamento de um
processador com implementação usando pipeline.
Serão usados dois simuladores que implementam o MIPS com pipeline:
 O simulador MipsPipeS.exe emula um processador com pipeline simples
sem resolução de conflitos por hardware.
 O simulador MipsPipeXL.exe emula um processador implementado em
pipeline que possui unidade de adiantamento (curto-circuito) e
adiantamento do desvio.
O efeito da utilização do pipeline na execução das 4 classes de instruções do MIPS:
aritméticas, load, store e de desvio serão discutidos nas questões abaixo.
1- Crie um novo projeto e digite o programa abaixo e carregue o mesmo no simulador
(MipsPipeS.exe)
#include <reg.h>
.set noreorder
.text
.globl start
.ent start
start:
add
nop
nop
nop
nop
t0, t1, t2
.end start
a. Inicie t1 e t2 com valores distintos (diretamente na janela que mostra os registradores) e
execute o programa passo a passo. Descreva o que acontece quando a instruções
entram em cada estágio do pipeline (IF, ID, EX, MEM, WB)? Descreva todos os sinais, as
mudanças nos registradores e outros efeitos em detalhes.
b. Quantos ciclos são necessários para se ter o resultado da operação no registrador?
2. Substitua a instrução add t0, t1, t2 no programa acima pela instrução lw t0, 0(t1),
inicializando o registrador t1 (usando a janela de registradores) com algum endereço de
memória. Coloque um valor inicial no endereço de memória usando a janela da memória.
Compile o programa e analise sua execução no pipeline.
a.
b.
c.
d.
e.
f.
O que acontece nos diferentes estágios do pipeline?
Quais operações são feitas na ALU?
Quantos ciclos são necessários para que o registrador tenha o valor correto?
Todos os estágios do pipeline são utilizados?
Faça a mesma análise para a instrução sw t0, 4(t1)
Repita o mesmo tipo de análise para a instrução beq t0, t1, Dest. Note que você deve
inserir um rótulo no programa.
3. Execute o programa abaixo atribuindo valores distintos aos registradores t0, t1 e t3
(diretamente na janela dos registradores).
#include <reg.h>
.set noreorder
.text
.globl start
.ent start
start: add t2, t0, t1
add t4, t2, t3
nop
nop
nop
.end start
a.
b.
c.
d.
e.
Após quantos ciclos o registrador t2 recebe o resultado correto?
Após quantos ciclos este valor é necessário na segunda instrução?
Qual o problema neste programa e como ele pode ser resolvido?
Execute o mesmo programa usando o simulador MipsPipeXL.exe.
O pipeline executa corretamente? Porque?
4. Execute o programa abaixo no simulador (MipsPipeS.exe) atribuindo o mesmo valor aos
registradores t0 e t1 (diretamente na janela de registradores).
#include <reg.h>
.set noreorder
.text
.globl start
.ent start
start: nop
nop
beq t0, t1, start
addi t0, t0, 1
nop
nop
nop
.end start
a.
b.
c.
d.
Quantos ciclos são necessários até que o desvio possa ser executado
O que acontece com a instrução addi enquanto o branch é calculado?
Qual o problema e quais as soluções para resolve-lo?
Use agora a versão MipsPipeXL.exe, como será a execução do programa?
5. Execute o programa abaixo e atribua diferentes valores para os registradores t1, t2 e t3
(diretamente na janela de registradores). O registrador t2 contem um endereço de memória.
#include <reg.h>
.set noreorder
.text
.globl start
.ent start
start: add t0, t1, t2
lw
t1, 0(t2)
sub t2, t1, t3
nop
nop
nop
.end start
a.
b.
c.
d.
Após quantos ciclos o registrador t1 recebe o valor correto?
Em que ciclo este valor deveria estar disponível?
Qual o problema neste caso e como o mesmo pode ser resolvido?
Execute o programa usando o simulador MipsPipeXL.exe, qual foi o resultado? Porque
o resultado difere?
6. Considere o programa em linguagem assembly abaixo. Estude o programa para entender
sua funcionalidade. Caso alguma instrução não seja simulada pelo simulador MIPSPipeS.exe
troque por outra instrução que funcione neste simulador. (ou faça os cálculos manualmente)
(4.0)
#include <reg.h>
.set noreorder
.data
i . word 0
A .word 5, 2,-1, 6
B .word 1, -4, 3, 2
C .word –1,-2,-3,-4
.text
.globl start
.ent start
start: li $3, 3
li $4, 1
la $1, A
lw $2, i
Loop: slti $5, $2, 0
bne $5, $4, somac
lw $5, 16($1)
j rot
somac: lw $5,32($1)
rot:
j soma
volta: addi $3, $3, -1
sub $2, $5, $3
addi $1, $1, 4
slti $5, $3, 0
bne $5, $4, Loop
fim :
nop
soma: sw $2,0($29)
addi $29, $29, -4
lw $2, 0($1)
add $2, $2, $5
sw $2, 0($1)
addi $29, $29, 4
lw $2, 0($29)
j volta
Os vetores A, B e C possuem 4 inteiros cada. Os endereços iniciais são dados por: A=84,
B=100 e C=116. A variável i está localizada no endereço 80 da memória.
a. Calcule o tempo de execução (em ciclos de relógio) usando o simulador MIPSPipeS.exe
e inserindo NOP’s na ocorrência de conflito de dados e de controle.
b. Calcule o tempo usando o simulador MIPSPipeXL.exe, retirando os NOPS que não são
necessários. Compare com o resultado da letra (a). Você consegue um tempo de
execução menor? Como?
7. Escreva um programa em linguagem de montagem MIPS em que, dada como entrada
uma string de caracteres e um caractere único, no final de sua execução o registrador $2
possua o número de vezes que o caractere aparece na string. O programa obrigatoriamente
deverá ter a diretiva .set noreorder (com isso é preciso ter cuidado para evitar a geração de
conflitos no pipeline). O programa deverá ser simulado no MipsPipeS.exe e a string de
entrada deverá ser o nome da pessoa que fez o exercício ou o nome dos integrantes da
equipe. (6.0)
Siga as dicas para resolver esse exercício:
Cada caractere possui um valor de identificação único que está apresentado na tabela ASCII.
Cada caractere é formado por oito bits, ou seja um byte. A string sempre termina com o
caractere nulo, independentemente de que o mesmo seja colocado de forma explícita ou não.
Use o seguinte programa como base para essa questão:
#include <reg.h>
.data
string: .ASCIIZ “coloque os primeiros nomes dos integrantes da equipe”
//Define uma string de caracteres
caractere: .ASCIIZ “a” //Define o caractere de entrada
.set noreorder //Obrigatório para essa questão
.text
.globl start
.ent start
start:
// local onde os caracteres serão carregados e comparados
.end start
Ao término da execução do programa acima, desde que o mesmo seja completado, o
registrador $2 terá o valor 4, pois essa é a quantidade de vezes que o caractere a aparece no
nome da dupla que fez o exercício.
Considerando o código desenvolvido na questão anterior responda as questões a seguir.
Caso o código desenvolvido inclua instruções não suportadas pelo simulador MIPSPipe ou
MIPSPipeExe faça os cálculos solicitados manualmente.
a. Calcule o tempo de execução (em ciclos de relógio) considerando que NOP’s
são inseridos na ocorrência de conflito de dados e de controle.
b. Resolva todos os conflitos de dados e calcule o novo tempo de execução.
Descreva as otimizações utilizadas e mostra onde as mesmas se aplicam no
código.
c.
A partir das otimizações realizadas na letra (b) resolva os conflitos de
controle e calcule o novo tempo de execução. Descreva as otimizações
utilizadas e mostra onde as mesmas se aplicam no código.
Observações:
1- A lista pode ser feita em equipe.
2- As questões de 1 a 5 devem ser entregues até o dia 14/05/14, as questões 6 e 7 podem
ser entregues até o dia 27 de Maio de 2014. Todas as questões devem ser entregues por email e na forma impressa.