Aula 05 - Pipeline

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Victor Medeiros
victor@deinfo.ufrpe.br
victorwcm
Infraestrutura de Hardware
Pipeline
Victor MedeirosInfraestrutura de Hardware
Pipeline
• Podemos fazer uma analogia do pipeline com o processo 
de lavagem de roupas 
• Lavagem sem pipeline 
• Coloca uma carga de roupa suja na lavadora; 
• Quando a lavadora termina o seu trabalho, coloca a 
roupa molhada na secadora; 
• Quando a secadora termina o seu trabalho, passa as 
roupas; 
• Depois, guarda a roupa no armário;
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Lavagem de roupa sem pipeline
3
lavar secar passar guardar
1 2
1ª carga
de roupas
2ª carga
de roupas
3 4
lavar secar passar guardar
5
3ª carga
de roupas
lavar secar passar guardar
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
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Lavagem de roupa sem pipeline
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lavar secar passar guardar
1 2
1ª carga
de roupas
2ª carga
de roupas
3 4
lavar secar passar guardar
5
3ª carga
de roupas
lavar secar passar guardar
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Se considerarmos que cada etapa 
leva 1 hora, a lavagem das 3 
cargas de roupa levaria 12 horas.
1 hora total de 12 horas
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Pipeline
• Lavagem com pipeline 
• Tão logo termine de colocar a primeira carga de roupa na 
secadora, introduz a segunda carga de roupa na lavadora; 
• Quando a primeira carga de roupa estiver seca, passe-a, 
ponha a segunda carga de roupa limpa molhada na secadora 
e, na lavadora, coloque a terceira carga de roupa suja... 
• e assim por diante... 
• Após 4 intervalos de tempo, todos os passos do processo de 
lavagem – chamados estágios do pipeline – estarão operando 
de forma concorrente; 
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Victor Medeiros
lavar secar passar guardar
1 2
1ª carga
de roupas
2ª carga
de roupas
3 4
lavar secar passar guardar
5
3ª carga
de roupas
lavar secar passar guardar
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Infraestrutura de Hardware
Lavagem de roupa com pipeline
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Victor Medeiros
lavar secar passar guardar
1 2
1ª carga
de roupas
2ª carga
de roupas
3 4
lavar secar passar guardar
5
3ª carga
de roupas
lavar secar passar guardar
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Infraestrutura de Hardware
Lavagem de roupa com pipeline
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Se considerarmos que cada etapa leva 
1 hora, a lavagem das 3 cargas de 
roupa levaria, com o pipeline, 6 horas.

1 hora total de 6 horas
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Introdução
• Pipeline é uma técnica de projeto onde o hardware 
processa mais de uma instrução de cada vez, sem 
esperar que uma instrução termine antes de 
começar a próxima; 
• Permite que os processadores rodem mais 
rapidamente. 
• Sempre que tivermos recursos separados para 
executar cada passo (estágio) de uma tarefa, esta 
tarefa pode ser executada em pipeline.
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Características
• O pipeline não diminui o tempo de execução de 
uma instrução, cada instrução continua 
necessitando da mesma quantidade de tempo 
para ser teminada; 
• O pipeline aumenta o número de instruções 
executadas na unidade de tempo; 
• O segredo do pipeline é que todos os recursos 
envolvidos operam em paralelo;
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Monociclo, multiciclo e pipeline 
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Representando pipelines graficamente
• Pode ajudar a responder 
questões como: 
• quantos ciclos leva 
para executar esse 
código? 
• qual é a ALU sendo 
executada durante o 
ciclo 4? 
• vamos utilizar esta 
representação para 
ajudar a entender os 
caminhos de dados
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Conflitos do pipeline
• Existem situações no pipeline em que a 
instrução seguinte não pode ser executada no 
próximo ciclo de clock. Esses eventos chamam-
se conflitos: 
• Conflitos estruturais; 
• Conflitos de controle; 
• Conflitos de dados;
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Conflitos estruturais
• Ocorrem quando o hardware não suporta a 
combinação de instruções que o pipeline deseja 
executar no mesmo ciclo; 
• Analogia com a lavagem de roupa: 
• O conflito estrutural poderia ocorrer no caso 
da lavadora e secadora estarem integradas 
no mesmo dispositivo.
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Conflitos estruturais
• No caso do MIPS: 
• O conflito estrutural poderia ocorrer se tivéssemos 
apenas uma única memória para armazenar dados e 
instruções.
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Conflitos estruturais
• No caso do MIPS: 
• O conflito estrutural poderia ocorrer se tivéssemos 
apenas uma única memória para armazenar dados e 
instruções.
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Conflito estrutural
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Conflitos de controle
• Ocorrem quando há a necessidade de se tomar uma 
decisão com base no resultado de uma instrução, enquanto 
outras estão sendo executadas. 
• Analogia com a lavagem de roupa: 
• Suponha que queremos lavar uniformes de futebol. A 
quantidade de sabão necessária para limpar efetivamente 
os uniformes depende do estado de sujeira dos mesmos. 
• Devemos esperar pelo segundo estágio para examinar os 
uniformes secos e verificar se precisamos ou não alterar 
a quantidade de sabão.
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Soluções para conflitos de controle
• Analogia com a lavagem de roupa: 
• Solução 1: Parada 
• Espere até que a primeira carga de roupas 
esteja seca e repita a operação de lavagem 
até encontrar a quantidade de sabão 
adequada. 
• Esta solução funciona, porém é muito lenta.
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Soluções para conflitos de controle
• No caso do MIPS: 
• Este conflito ocorre: 
• na execução de instruções de desvio condicional, 
incondicional 
• chamadas e retornos de subrotinas 
• interrupções 
• Se o computador tiver que parar durante a execução de 
um desvio condicional, ele deve interromper a 
progressão das instruções pelo pipeline
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Soluções para conflitos de controle
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Soluções para conflitos de controle
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Soluções para conflitos de controle
• Congelamento do pipeline: 
• Esperar para buscar próxima instrução até que o 
desvio seja executado 
• Quando a instrução de desvio é descoberta no 
pipeline, suspende a busca de instruções até que 
o desvio seja concluído. 
• Positivo: Solução simples 
• Negativo: Degradação do desempenho do pipeline
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Soluções para conflitos de controle
• Execução especulativa 
• Consiste em predizer o comportamento do desvio 
• Técnicas de compilação podem ser utilizadas 
para aumentar a taxa de acertos 
• A previsão de desvio pode ser feita de várias 
formas, um exemplo é a previsão dinâmina: 
• Uma das formas de previsão dinâmica é a 
chave desvio / não desvio
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Soluções para conflitos de controle
• Chave desvio / não desvio
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Soluções para conflitos de controle
• Técnicas sofisticadas: 
• Um “buffer de destino de desvio” nos ajuda a consultar o destino. 
• Correlacionar previsores que baseiem a previsão no comportamento 
global e nos desvios recentemente executados (por exemplo, previsão 
para uma instrução de desvio específica com base no que ocorreu nos 
desvios anteriores). 
• Previsores de competição que usam diferentes tipos de estratégias de 
previsão e controlam qual delasestá sendo melhor executada. 
• Previsão de desvio é especialmente importante porque permite que outras 
técnicas de pipelining mais avançadas sejam eficazes! 
• Os processadores modernos prevêem corretamente 95% das vezes!
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Conflitos de dados
• Ocorre quando a execução de uma instrução depende do 
resultado de outra que ainda está no pipeline. 
• Analogia com a lavagem de roupa: 
• Suponha que estejamos dobrando uma carga de 
roupas composta quase inteiramente por meias. Neste 
caso pode acontecer de um pé de meia estar em uma 
carga de roupa e o seu par correspondente pertencer à 
segunda carga. 
• Nesta situação, não podemos guardar as meias no 
armário até que os pares estejam casados.
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Conflitos de dados
• No caso do MIPS: 
• Suponhamos que temos que executar as seguintes 
instruções:



add $s0, $t0, $t1 

sub $t2, $s0, $t3 
• Neste caso, o conflito de dados vai fazer com que o 
progresso das instruções por meio do pipeline seja 
interrompido. É necessária a inserção de bolhas no 
pipeline.
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Conflitos de dados
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Conflitos de dados
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Soluções de software para conflitos de dados
• Podemos garantir a ausência de conflitos de dados 
inserindo instruções “nop” (bolhas) entre instruções 
que apresentem dependência de dados 
• Exemplo: Onde serão inserimos os “nops”? 






• Problema: esta solução é lenta!
sub $s2, $s1, $s3 

and $t0, $s2, $s5 

or $t1, $s6, $s2 

add $t2, $s2, $s2 

sw $t3, 100($s2)
sub $s2, $s1, $s3 

nop 

nop 

and $t0, $s2, $s5 

or $t1, $s6, $s2 

add $t2, $s2, $s2 

sw $t3, 100($s2)
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• Outra forma é reordenar as instruções para 
eliminar as dependências 
• Para isso precisamos de um compilador inteligente
add $s1, $s2, $s3 

sub $s4, $s1, $s3 

and $s6, $s1, $s7 

or $s8, $s1, $t0 

xor $s8, $s1, $s7
add $s1, $s2, $s3 

and $t2, $t2, $t3 

or $t4, $t4, $t5 

sub $s4, $s1, $s3 

and $s6, $s1, $s7 

or $s8, $s1, $t0 

xor $s8, $s1, $s7
Soluções de software para conflitos de dados
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• Curto-circuito (Forwarding) 
• Use resultados temporários, não espere que 
eles sejam escritos 
• adiantamento do arquivo de registrador para 
manipular read/write para o mesmo registrador 
• adiantamento da ULA
Soluções de hardware para conflitos de dados
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Soluções de hardware para conflitos de dados
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Soluções de hardware para conflitos de dados
Victor MedeirosInfraestrutura de Hardware 35
Curto circuito nem sempre é possível
• Load word ainda pode causar um conflito: 
• uma instrução load tenta ler um registrador e 
em seguida uma outra instrução precisa 
utilizar o mesmo registrador.
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Curto circuito nem sempre é possível
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Curto circuito nem sempre é possível
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Curto circuito nem sempre é possível
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Exercícios
1. Represente o diagrama do pipeline para os seguintes 
conjuntos de instruções. Resolva os problemas de 
conflito utilizando a técnica de bolhas, ou seja, 
atrasando o início das instruções problemáticas.





2. Identifique as dependências de dados existentes e 
quais conflitos podem ser resolvidos via curto circuito. 
B. 

add $s2, $s3, $s4 

add $s4, $s5, $s6 

add $s5, $s3, $s4
A. 

sub $s2, $s1, $s3 

and $s4, $s2, $s5 

or $t0, $t1, $s2
add $s2, $s5, $s4 

add $s4, $s2, $s5 

sw $s5, 100($s2) 

add $s3, $s2, $s4