Guide: Pipeline

[MarcoGT]

Ecco qui qualche parola sulle pipeline (recuperato dalla cache di S.Google)

Iniziamo col dire che esistono diversi gruppi di istruzioni (si parla di linguaggio assembly)

LOAD/STORE: caricamento/scritta dati dalla/in memoria
JUMP: salti INCONDIZIONATI (significa che il salto viene eseguito sempre)
BRANCH: salti CONDIZIONATI (il salto viene eseguito SOLO se si verificano particolari condizioni)
OPERAZIONI ARITMETICHE/LOGICHE: sono istruzioni che compiono operazioni aritmetiche (ADD, SUB, DIV, MULT e le loro varianti) ed operazioni logiche (OR, AND, SHIFT e le loro varianti).

La pipeline dati è una tecnica utilizzata dalle CPU per incrementare la quantità di istruzioni eseguite al secondo (in gergo: throughput).

L'esecuzione di un'istruzione da parte della CPU si può dividere sostanzialmente in 5 passi (dipende dal tipo di istruzione e dal tipo di processore, ma in linea generale, diciamo pure 5).

1) IF: Instruction Fetch: l'istruzione viene caricata nella CPU (all'interno della sua memoria)
2) ID: Instruction Decode: l'istruzione viene decodificata (la CPU deve sapere se si tratta di una LOAD piuttosto che di una ADD
3) EX: Execution: esecuzione dell'istruzione
4) MEM: Memory: viene attivata la memoria (non per tutte le istruzioni; è per questo che serve lo stadio di ID)
5) WB: Write Back: scrittua in memoria/registro.

Le vecchie e semplici CPU eseguivano un'istruzione alla volta ed l'esecuzione (anzi, il caricamento) di quella successiva non iniziava fino a quando non terminava il ciclo di quella precedente.
Una CPU con pipeline è composta da 5 stadi; ogni stadio rappresenta una delle 5 fasi descritte sopra.
Ogni stadio ha quindi un compito preciso.
Il funzionamento è pressapoco questo: viene caricata un'istruzione e quindi per ora solo lo stadio IF è occupato; quando questa istruzione passa allo stadio successivo (ID), un'altra istruzione verrà caricata e si troverà quindi nello stadio ID; questo significa che quando la prima istruzione caricata si troverà nell'ultimo stadio (WB), tutti gli stadi saranno occupati; una sorta di catena di montaggio.
Ciò che si guadagna è la velocità.

Vi sono però *parecchi* problemi.
Infatti la presenza di pipeline NON sempre migliora in throughput.
Qui elencherò solo due problemi (che sono comunque i principali)

1) L'istruzione x+1 potrebbe richiedere un dato calcolato dall'istruzione x (ossia dalla precedente);

A=B+C
F=A+E

La seconda istruzione non può essere eseguita fino a quando la prima non è terminata perchè ha bisogno del dato A.

2) Salti condizionati.

Come detto, per salti condizionati si intendono salti che vengono eseguiti sotto il verificarsi di opportune condizioni.

Ad esempio, l'istruzione x+1 è un salto, però la condizione di salto si trova nell'istruzione x...la CPU deve attendere prima di eseguire l'istruzione x+1.

Nelle odierne CPU c'è però un'unità che si chiama Branch Prediction Unit (unità di predizione dei salti); queste unità fanno delle previsioni sul flusso del programma.