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Bases tecnológicas funcionales de un microprocesador

Paralelismo en software y paralelismo en hardware

Paralelismo en software

Definamos como paralelismo en software como la ejecución de un programa sin tomar en cuenta el hardware con que va ser ejecutado. El paralelismo en software es considerado como el caso ideal de la ejecución de las instrucciones que forman parte de un programa, ya que no toma en cuenta las limitantes del hardware con que el mismo va ser ejecutado.

Paralelismo en hardware

Definamos como paralelismo en hardware como la ejecución de un programa tomando en consideración el hardware con que va a ser ejecutado.

Ejemplo:

Programa Comentario

Mov Ax, [A] Ax<--Mem[A]

Mov Bx, [B] Bx<--Mem[B]

Mul Ax, Bx Ax<--Ax x Bx

Mov Cx, [C] Cx<--Mem[C]

Mov Dx, [D] Dx,<--Mem[D]

Mul Cx, Dx Cx<--Cx x Dx

Add Ax, Cx Ax<--Ax + Cx

Sub Cx, Ax Cx<--Cx - Ax

El programa presentado esta compuesto por ocho instrucciones (cuatro instrucciones de movimiento de una posición de memoria a un registro, dos instrucciones de multiplicación de registros, una instrucción de suma de registros y una de resta de registros). El gráfico de interdependencia de este grupo de instrucciones lo podemos observar en la siguiente figura 1.6.

Figura 1.6 Paralelismo en hardware y paralelismo en software

El diagrama de paralelismo en Software representa el caso ideal con que dicho programa puede ser ejecutado. Nótese que la ejecución de las 8 instrucciones se realiza solamente en tres ciclos de máquina. Por otro lado podemos observar las limitantes que genera la ejecución de este mismo programa con un hardware en particular (procesador Superescalar con capacidad de ejecutar un acceso a la memoria y una operación aritmética simultáneamente) obteniendo 6 ciclos de maquina para ejecutar el programa.

Tomando como base este ejemplo, la ejecución paralela de las instrucciones de un programa se mide mediante el parámetro conocido como Promedio de Ejecución Paralela de instrucciones (PEP). Este parámetro se define como la relación entre el número de instrucciones del programa y el número de ciclos de máquina realizados en su ejecución. Su expresión matemática es:

PEP = No. de Instrucciones / No. de Ciclos de Máquina

Por consiguiente, el promedio de ejecución paralela de instrucciones en software para este ejemplo es: 8/3 = 2,667 y el promedio de ejecución paralela de instrucciones en hardware es: 8/6 = 1,333.

El desarrollo de hardware y software es un proceso integral que busca soluciones que permitan satisfacer cada vez más las condiciones de paralelismo con el fin de incrementar el promedio de ejecución paralela de instrucciones. Para lograr este objetivo es necesario detectar y resolver las dependencias entre instrucciones. El proceso de detección y resolución de dependencias entre instrucciones se conoce como el proceso de planificación de instrucciones. Cuando la planificación de instrucciones es llevada a cabo únicamente por el compilador se dice que la planificación de instrucciones es estática. Y cuando la planificación de instrucciones es llevada a cabo únicamente por hardware (Ejemplo: microprocesador) se dice que la planificación de instrucciones es dinámica. La planificación de instrucciones en los microprocesadores súper escalares es un proceso de planificación de instrucciones estático y dinámico.

Las técnicas estáticas de planificación de instrucciones están compuestas por tres grupos: Planificación de instrucciones de bloques de un programa, Planificación de instrucciones de lazos iterativos continuos y planificación de instrucciones global. La técnica de bloques consiste en dividir un programa en bloques para luego detectar y resolver solamente las dependencias entre las instrucciones de cada bloque. Esta técnica es la mas utilizada en los últimos 20 años ya que es la más simple de implementar. La técnica de lazos iterativos consiste planificar las instrucciones que forman parte de los lazos continuos de un programa. Esta técnica esta compuesta básicamente por dos técnicas: Unrolling y Software Pipeline. Y por ultimo la técnica global consiste en planificar todas las instrucciones que forman parte de un programa.

En la sección 2 del seminario Arquitectura de Microprocesadores se analizan las técnicas más comunes de planificación de instrucciones dinámicas implementadas en los microprocesadores y a su vez se demuestra que el desarrollo de hardware y software es un proceso integral que busca soluciones que permitan satisfacer cada vez más las condiciones de paralelismo con el fin de incrementar el promedio de ejecución paralela de instrucciones.

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