Arquitetura de Computadores

09122022 1 Arquitetura e Organização de Computadores Introdução a Arquiteturas de Alto Desempenho Prof Ms Wesley Viana Unidade de Ensino 4 Competência da Unidade Aprofundar o conhecimento sobre arquiteturas de alto desempenho Resumo Nesta unidade será apresentado as arquiteturas CISC e RISC paralelas multithread e multicore Palavraschave CISC RISC paralelas multithread e multicore Título da Tele aula Arquiteturas de Alto Desmpenho Tele aula nº 04 Contextualização Você foi contratado como um dos analistas do projeto do desenvolvimento da arquitetura de um novo processador de uma importante fabricante internacional de processadores conhecida pela qualidade e pela inovação Esse novo processador deve ser projetado para oferecer um desempenho superior ao dos concorrentes Existem diversas questões que implicam decisões impactantes para o futuro produto que exigem um compromisso ou tradeoff em inglês no desempenho desse processador Uma das primeiras decisões que a equipe de projeto deve tomar é em relação à quantidade de instruções Ela deve escolher entre um número maior de instruções com instruções mais complexas ou um número menor de instruções com sintaxe simplificada Fonte Shutterstock Contextualização Haverá uma reunião de trabalho entre toda a equipe de trabalho e o gerente e você ficou responsável de trazer diversos elementos para enriquecer a discussão Ao final dessa reunião vocês chegarão a um consenso sobre a quantidade de instruções que o processador suportará e a complexidade de cada instrução O projeto já está atrasado em relação ao cronograma e caso a decisão seja equivocada trará consequências nas próximas etapas de definição da arquitetura Além disso o principal concorrente da sua empresa também está desenvolvendo um projeto similar Fonte Shutterstock Contextualização Você já participou de reuniões anteriores que não chegaram a um consenso sobre as características desejadas Foi debatido o tamanho da instrução se deveria ter a mesma quantidade de elementos na instrução ou se quantidade desses elementos poderia variar A conclusão dessa discussão contribuirá para definição da quantidade e complexidade das instruções com que o processador vai trabalhar Fonte Shutterstock Introdução a Arquiteturas de Alto Desempenho 1 2 3 4 5 6 09122022 2 Sua missão Como material para essa reunião você deve levantar diversas recomendações para o projeto com base nas arquiteturas CISC e RISC indicando quais características seriam mais adequadas para o projeto Prepare um relatório com as características das arquiteturas CISC RISC e as desejadas no projeto e verifique qual arquitetura está mais próxima do desejado O futuro desse importante projeto está em suas mãos Fonte Shutterstock Contextualizando Pesquisadores estudam métodos e técnicas para melhoria do desempenho e da capacidade de sistemas computacionais Software com desenvolvimento de sistemas operacionais Hardware arquitetura dos processadores Evolução do hardware a velocidade de processamento da frequência do clock velocidade em ciclos por segundo hertz para executar as funções do computador passou de poucos MHz em 1980 para GHz na década de 2010 além da criação de novas tecnologias de processamento como pipelining e processamento paralelo Linguagem de máquina x linguagem de programação Inicialmente foram utilizados conjuntos extensos de instruções dezenas de modos de endereçamento Fonte Shutterstock Contextualizando Este tipo de arquitetura de computadores foi denominado CISC Complex Instruction Set Computers ou computadores com conjunto de instruções complexas Avanços na área de arquitetura de processadores com um conjunto menor de instruções seria possível melhorar o desempenho do processador com uma arquitetura denominada RISC Reduced Instruction Set Computers Fonte Shutterstock Características da Arquitetura CISC A arquitetura de processadores CISC Complex Instruction Set Computers ou processadores com conjunto de instruções complexas apresentava grande quantidade de instruções com múltiplos modos de endereçamento Os processadores com tecnologia CISC são capazes de processar centenas de conjuntos complexos de instruções simples Isto significa que cada instrução isoladamente é considerada simples curta e pouco potente porém várias destas instruções agrupadas formam um conjunto complexo que é executado pelo processador A ideia dos fabricantes era produzir processadores cada vez mais potentes baseados na complexidade destes conjuntos de instruções BROOKSHEAR 2013 10 Fonte Shutterstock Características da Arquitetura CISC Inicialmente existia uma grande tendência a esta tecnologia de processadores porém havia algumas desvantagens como o desempenho reduzido justamente pelo excesso de instruções executadas pelo processador e pela velocidade de processamento ter que ser elevada para que o desempenho fosse melhorado Dessa forma podese concluir que os projetistas de arquiteturas CISC consideram três aspectos básicos MONTEIRO 2010 Utilização de microcódigo Construção de conjuntos com instruções completas e eficientes Criação de instruções de máquina com complexidade similar aos comandos de linguagens de alto nível Na arquitetura CISC o objetivo era a criação de um conjunto numeroso de funções na maioria das vezes complexas e com vários operandos o que aumentava o tempo de execução 11 Fonte Shutterstock Características da Arquitetura RISC A ideia original era entregar um conjunto mínimo de instruções que poderiam realizar todas as operações essenciais movimentação de dados operações para Unidade Lógico Aritmética e desvios Somente instruções explícitas LOAD e STORE tinham permissão para acessar a memória Alguns elementos constituem a base da arquitetura RISC o pequeno conjunto de instruções como tamanho fixo e execução rápida da instrução A cada ciclo de clock uma instrução é selecionada buscada e executada Essa arquitetura contém uma menor quantidade de modos de endereçamento maior quantidade de registradores e uso de pipelining 12 Fonte Shutterstock 7 8 9 10 11 12 09122022 3 Características da Arquitetura RISC O pipeline ou paralelismo é a divisão de uma instrução em muitas partes para que cada parte seja manipulada por uma parte de hardware dedicada e com isso todas as partes possam ser executadas em paralelo TANEMBAUM 2013 Na arquitetura RISC existe uma diminuição da quantidade de instruções disponíveis e o modo de endereçamento em relação à arquitetura CISC As máquinas RISC utilizam os registradores da Unidade Central de Processamento para armazenamento dos parâmetros e variáveis em chamadas de funções e rotinas Processadores ARM usados em celulares são um bom exemplo de uso da arquitetura RISC Outro exemplo de uso dessa arquitetura é em consoles como o Nintendo e o Playstation 13 Fonte Shutterstock RISC x CISC Uma vez que o tempo para buscar uma instrução não é mais uma preocupação e com memória barata para armazenar uma quantidade grande de instruções não existe uma vantagem real em instruções CISC Murdocca 2000 Todas as instruções RISC têm tamanho fixo uma palavra Todas as instruções RISC efetuam operações simples que podem ser iniciadas no pipeline à taxa de uma por ciclo de clock Arquiteturas RISC x CISC CARACTERÍSTICAS RISC CISC ARQUITETURA Registradorregistrador Registradormemória TIPOS DE DADOS Pouca variedade Muito variada FORMATO DAS INSTRUÇÕES Poucos endereços Muitos endereços MODO DE ENDEREÇAMENTO Pouca variedade ESTÁGIOS DE PIPELINE Entre 4 e 10 Entre 20 e 30 ACESSOS AOS DADOS Via registradores Via memória Fonte produçãovirtualufpbbr RISC e CISC No relatório que você preparará para a reunião os elementos quantidade e complexidade das instruções são importantes da arquitetura e você deve levantar diversas características que sejam relevantes tais como Arquiteturas RISC não apresentam microprogramação e microcódigo todas as instruções são executadas diretamente pelo hardware Na arquitetura CISC era comum em estruturas computacionais adicionar uma camada de software entre o hardware e os demais programas providenciando um novo nível de interpretação o microcódigo O microcódigo oferece a possibilidade de incluir ou alterar instruções sem alterar o hardware Entretanto ter a maior flexibilidade não é considerada uma boa prática pois o nível adicional de interpretação acarreta tempo de processamento para interpretação e com isso perda de desempenho que não compensa às novas instruções que possam ser adicionadas As instruções devem ser simples de decodificar uma característica da arquitetura RISC Quanto menos complexas forem e menos formatos alternativos tiverem as opções de execução de uma instrução será melhor Isto ocorre porque quando a instrução tem poucos formatos o tempo de identificação da instrução será reduzido Logo o tempo de processamento será otimizado Somente as instruções LOAD e STORE devem referenciar a memória O acesso à memória principal é uma operação mais demorada que o acesso a registradores Por esse motivo é recomendado que apenas as instruções LOAD leitura e STORE gravação tenham acesso à memória Isto ocorre na arquitetura RISC Maximize a taxa de execução de instruções 18 13 14 15 16 17 18 09122022 4 Além do aumento da velocidade de clock uma das formas de maximizar o desempenho do computador é por meio do paralelismo amplamente utilizado na arquitetura RISC Implemente muitos registradores de uso geral Quando o processador não tem um registrador disponível para armazenar um valor resultante ele transfere esse valor para a memória principal Já sabemos que a transferência de dados entre o processador e a memória principal é um processo mais lento do que a movimentação de dados dentro do processador Assim quanto mais registradores possíveis e de uso geral melhor A arquitetura RISC apresenta maior quantidade de registradores que a CISC 19 Arquiteturas Paralelas Introdução a Arquiteturas Paralelas Uma arquitetura paralela fornece uma estrutura explícita e de alto nível para o desenvolvimento de soluções utilizando o processamento paralelo através da existência de múltiplos processadores que cooperam para resolver problemas através de execução concorrente Duncan 1990 Classificação de Máquinas Paralelas Classificação de Flynn Classificação de arquiteturas paralelas genérica de acordo com as características do fluxo de instruções e o fluxo de dados único ou múltiplo SISD Single Instruction Single Data Um único fluxo de instruções Um único fluxo de dados Contém as arquiteturas tradicionais não paralelas Máquinas de Von Neumann UC unidade de controle UP unidade de processsamento MEM memória Fonte Duncan 1990 SIMD Single Instruction Multiple Data Um único fluxo de instrução Múltiplos fluxos de dados Execução síncrona da instrução para todos os dados Exemplos Processadores vetoriais Cray 1 GPU Fonte Duncan 1990 19 20 21 22 23 24 09122022 5 MISD Multiple Instruction Single Data Múltiplos fluxos de instrução Um único fluxo de dados Execução de várias instruções em um único dado Não há exemplos Fonte Duncan 1990 MIMD Multiple Instruction Multiple Data Múltiplos fluxos de instruções Múltiplos fluxos de dados Permite a execução de instruções diferentes para cada um dos dados Exemplos Arquiteturas paralelas atuais Fonte Duncan 1990 Nesta etapa do projeto de novo processador de alto desempenho foram apresentadas as arquiteturas para processamento paralelo com a implementação de pipeline abordando suas classificações características e utilizações Foram detalhadas as classificações de Flynn Essa classificação divide os processadores da seguinte maneira com instrução simples ou múltiplas instruções e com dados únicos ou dados múltiplos Os quatros tipos são SISD única instrução único dado SIMD única instrução múltiplos dados MISD múltiplas instruções único dado e MIMD múltiplas instruções múltiplos dados No SISD há apenas um processador e o exemplo são máquinas uniprocessadas sendo recomendada para processamento de texto SIMD executa uma instrução específica para vários grupos de dados sendo recomendada para operações matriciais MISD não é uma arquitetura utilizada comercialmente Já a arquitetura MIMD consiste em multiprocessadores e a maior parte de sistemas paralelos utilizam essa arquitetura Nessa etapa do projeto será decidido o tipo de arquitetura em relação ao processamento e você pesquisou sobre as arquiteturas paralelas segundo a classificação de Flynn Com base nos requisitos do projeto para desenvolver um processador de alto desempenho a arquitetura mais adequada é a MIMD mais avançada tecnologicamente e que apresenta elevado desempenho do sistema de computação É um conjunto de processadores que executam sequências de instruções diferentes simultaneamente em diferentes conjuntos de dados Máquinas MIMD que adotam vários pontos de controle apresentam sequências de instruções e dados independentes Assim nesse projeto a arquitetura mais recomendada para ser utilizada é a MIMD Entenderam a importância da arquitetura Fonte httpsgifercomenXlOL9 25 26 27 28 29 30 09122022 6 Arquiteturas Multithreaded Sua missão Você deve pesquisar as arquiteturas multithread e preparar um relatório com as suas principais características que vai contribuir para a escolha da arquitetura mais apropriada para o projeto Fonte Shutterstock Contextualizando Dentro do projeto de desenvolvimento de um novo processador iniciouse a fase de definição do fluxo de um processo e de seus componentes sendo as threads um desses componentes Você deve conhecer a arquitetura do computador que resulta em elementos visíveis a um programador Você já participou de reuniões anteriores que definiram por consenso que o projeto terá troca de threads que são mais rápidas do que as trocas de processos Foi definido que a arquitetura multithread deve buscar as seguintes características capacidade de envio de instruções superescalares e utilização de múltiplos contextos de threads Entretanto não houve a definição de arquitetura multithread a ser utilizada Fonte Shutterstock Contextualizando Desde os primeiros computadores os cientistas se empenham para fazer as máquinas resolverem problemas de forma melhor e mais rápida A aplicação de técnicas de microeletrônica resultou em circuitos integrados CIs de alta complexidade e encapsulados em um único chip isto é o CI está dentro de um invólucro protetor Os clocks ou relógios aumentaram a frequência para a faixa de Gigahertz GHz Entretanto existem barreiras físicas que delimitam o desempenho de uniprocessadores Fonte Shutterstock Desempenho A medida de desempenho mais relevante para um processador é a taxa na qual ele executa as instruções que pode ser Taxa MIPS f IPC Onde Taxa MIPS representa a quantidade de milhões de instruções executadas em um segundo f é a frequência de clock do processador em MHz IPC é o número médio de instruções executadas por ciclo 35 Fonte Shutterstock Desempenho Uma ordem diferente da forma que ocorrem no fluxo de instruções e começar a execução de instruções que podem nunca ser necessárias Entretanto essa abordagem pode estar alcançando o limite por causa da complexidade e dos problemas de consumo de energia Segundo Monteiro 2010 uma dessas estratégias para melhoria do desempenho é conhecida como superpipelining e ocorre quando um pipeline tem estágios que requerem menos da metade de um ciclo de relógio para executar Pode ser adicionado um relógio interno o qual ao realizar a 36 Fonte Shutterstock 31 32 33 34 35 36 09122022 7 Thread Multithread Como não é desejável o aumento da complexidade e do consumo de energia outra abordagem que permite um grau mais alto de paralelismo em nível de instruções é denominada de multithreading Segundo Henessy e Petterson 2014 p 193 multithreading é uma técnica primária usada para expor mais paralelismo para o hardware O fluxo de instruções é dividido em vários fluxos menores conhecidos como threads de forma que cada thread possa ser executada em paralelo Uma thread é um conjunto de tarefas existentes em um ou mais programas executadas ao mesmo tempo pelo processador Os threads definem como um processador funciona recebendo e executando instruções Isso acontece muito rapidamente e passa a sensação de que as ações são simultâneas Fonte Shutterstock ThreadProcessos Uma Thread acontece quando um programa precisa resolver duas ou mais tarefas concorrentes e em andamento Threads não são processos estando contidas dentro de processos Pode haver múltiplas threads dentro de um mesmo processo ao menos uma sempre existe e também é possível dividir recursos do computador como memória e arquivos abertos por exemplo enquanto processos não podem fazêlo Segundo Machado e Maia 2013 podese definir processo como uma instância de um programa executando em um computador Fonte Shutterstock ThreadProcessos O fluxo da troca de contextos está ilustrado na Figura e apresenta as etapas da troca de processo Fonte Shutterstock Fonte Santos2000p219 Multithreading Multithreading é a capacidade que o sistema operacional possui de executar várias threads simultaneamente sem que uma interfira na outra Estas threads compartilham os recursos do processo mas são capazes de ser executadas de forma independente Para possuir processamento multithread real os processadores precisam ser capazes de atender duas ou mais threads ao mesmo tempo e não simular este efeito atendendo as uma por vez em um curto período de tempo Fonte Shutterstock MULTITHREAD Analisando a situaçãoproblema proposta é necessário a determinação de qual arquitetura multithread será adequada Por sua vez multithreading simultâneo SMT possibilita execução paralela e simultânea de várias threads Esse é um sistema capaz de emitir diversas instruções ao mesmo tempo Se um thread apresenta um alto grau de paralelismo em nível de instruções ela pode em alguns ciclos ser capaz de preencher todos os slots horizontais Em outros ciclos as instruções de duas ou mais threads podem ser enviados Se threads suficientes estão ativos normalmente seria possível enviar o número máximo de instruções em cada ciclo fornecendo um nível alto de eficiência 42 37 38 39 40 41 42 09122022 8 Já no caso de chip multiprocessadores ou multicore cada núcleo tem um processador superescalar de envio de duas instruções simultâneas Para cada processador é atribuído um thread a partir do qual ele pode enviar até duas instruções por ciclo É possível combinar as potencialidades das arquiteturas multithreading simultâneo SMT e chip multiprocessadores ao utilizar multithread dentro de cada processador em um chip multicore para potencializar o ganho de processamento fato que é implementado em diversos processadores atuais 43 Arquiteturas multicore Sua Missão Chegou o momento de mostrar seu conhecimento como analista de projetos para o desenvolvimento de um novo processador de alto desempenho Já está acertado com a equipe que serão utilizados processadores multicore e isso tornará mais viável a ideia de paralelismo entre os núcleos do processador ou seja trabalhar com uma arquitetura que possibilite a execução simultânea em que cada núcleo admite uma tarefa Você deverá apresentar para a equipe um relatório do funcionamento dos núcleos do processador em um ambiente Windows Fonte Shutterstock Sua Missão Você poderá utilizar a ferramenta de gerenciamento de tarefas para facilitar suas explicações Faça um print cópia da tela da execução das tarefas dos respectivos núcleos e finalizando o seu relatório contextualize o funcionamento dos threads e dos caches envolvidos em cada core núcleo do processador Fique à vontade para caracterizar um processador em específico Fonte Shutterstock Introdução a Arquiteturas Multicore Hoje com a necessidade de otimização de espaço físico são desenvolvidos chips de processamento multicore múltiplos núcleos nos quais é possível otimizar os transistores gerando economia de energia e a redução de calor Um processador multicore pode ser definido como dois ou mais núcleos de processamento em uma única pastilha de silício chip As tarefas a serem executadas são distribuídas entre esses núcleos do processador Em outras palavras cada núcleo pode executar múltiplos processos simultaneamente A Figura ilustra a estrutura de processadores multicore Processadores com múltiplos núcleos de processamento São processadores com dois quatro um chip seis oito e dezesseis núcleos 43 44 45 46 47 48 09122022 9 Processadores com múltiplos núcleos de processamento Cada núcleo de processamento é organizado como uma unidade de central de processamento independente composta por unidade lógica aritmética e unidade de controle e registradores Além dessas há as memórias cache que podem ser compartilhadas entre os núcleos e podem ser dedicadas Por exemplo temos as caches Level 1 L1 Level 2 L2 e Level 3 L3 para dados e de instruções Ao visitar sites de fabricantes de processadores temos um termo frequentemente utilizado o Smart Cache cache inteligente Esse é o nome dado para uma tecnologia desenvolvida pela Intel em que as caches são compartilhadas entre os núcleos de processamento do processador multicore sendo as caches L2 e L3 compartilhadas entre os núcleos Processadores com múltiplos núcleos de processamento Os engenheiros implementaram alterações na organização de processadores permitindo o aumento do nível de paralelismo em nível de instruções de forma a executar mais de uma instrução a cada ciclo de clock Posteriormente com o surgimento da arquitetura superescalar foram implementados vários pipelines com recursos de execução replicados para possibilitar a execução de instruções em pipelines paralelos Como forma de melhorar o desempenho da arquitetura superescalar foi desenvolvida a arquitetura multiprocessada Simultaneous Multiprocessing SMP que consiste em arquitetura com mais de um processador Processadores com múltiplos núcleos de processamento Esse tipo de arquitetura tem recursos de memória disco compartilhados e roda em um mesmo sistema operacional Nesse sentido dois processos podem ser executados ao mesmo tempo em dois processadores Ainda como evolução surgiu a arquitetura multithread simultânea SMT do inglês Simultaneous Multithreading também chamada de hyperthreading Processadores com múltiplos núcleos de processamento Nessa técnica é explorado o pipelining em nível de threads em um processador Assim um processador físico pode simular dois processadores lógicos Cada um dos processadores lógicos tem o seu próprio controlador de interrupção bem como um banco de registradores Essa arquitetura conta também com alguns recursos compartilhados tais como cache ULA e barramentos Na próxima Figura é apresentada uma arquitetura de quatro processadores físicos sendo dez núcleos por processador que serão compartilhados com a memória cache L3 30 MB compartilhado entre os dez core Processadores com múltiplos núcleos de processamento Cada core tem 2 threads ou seja 80 processadores lógicos quatro núcleos físicos multiplicados por dez processadores lógicos o resultado também multiplicado por duas threads por core Ex Intel Xeon 4870 Organização multicore Com o crescimento da memória disponível e do número de núcleos a utilização de uma memória cache L3 compartilhada que combina o compartilhamento de cache L2 e cache L2 dedicados por núcleo tende a resultar em um desempenho melhor que uma cache L2 compartilhada Os processadores Intel i7 utilizam esse tipo de organização 54 49 50 51 52 53 54 09122022 10 Processadores multicore Outro tipo de decisão em um projeto de sistemas com múltiplos núcleos é se os núcleos implementarão multithread simultâneo SMT ou serão superescalares Podemos destacar que o Intel Core Duo utiliza núcleos superescalares enquanto o Core i7 utiliza núcleos SMT que aumentam o número de threads suportados pelos sistemas multicore 55 Novo processador Você ficou encarregado de elaborar um relatório para a equipe de desenvolvimento do novo processador pelo qual deverá mostrar o funcionamento dos núcleos do processador em um ambiente Windows Nesse caso específico foi realizada uma demonstração pelo gerenciador de tarefas do Windows mas você poderá usar outras ferramentas para suas colocações Finalize o relatório com uma contextualização sobre o funcionamento dos threads e dos caches envolvidos em cada core núcleo do processador Funcionamento dos núcleos do processador em um i7 de 7ª geração da Intel Core i77500U CPU 270GHz 57 Core i77500U CPU 270GHz Podemos considerar que a execução das threads no processador pode ter o compartilhamento das informações Cabe relatar que esse armazenamento na cache pode ser feito distintamente em outros core do processador Lembrese de que as memórias caches apresentam três níveis a L1 é a de menor nível e menor espaço porém muito mais rápida que a L2 e L3 A L1 é dividida em duas partes uma para instruções e outro para os dados A L2 é destinada para gravação de dados e informações e a L3 é a maior entre os três níveis e pode dar apoio a qualquer core para execuções de tarefas De acordo com Stallings 2013 existe um ganho quando há um compartilhamento do cache L2 e em paralelo há cache L2 dedicada como ocorre no caso de Intel Core i7 em que cada núcleo tem a sua cache L2 dedicada e os núcleos compartilham uma memória cache L3 Uma das vantagens é a que interferência construtiva pode reduzir as taxas de falhas do sistema ou seja se uma thread em um core acessa uma posição de memória esse acesso traz para linha de conteúdo a posição de referenciada para a cache compartilhada Caso outra thread de outro core tente acessar depois as posições de memória já estarão disponíveis na cache compartilhada no chip gerando maior rapidez de acesso Utilizando algoritmos adequados de substituição de linha existe uma alocação dinâmica da quantidade de cache compartilhada para cada core de modo que threads com maiores conjuntos de trabalho apresentam mais cache Além disso a comunicação entre processadores é facilitada quando implementada por meio das posições de memória compartilhadas 60 55 56 57 58 59 60 09122022 11 Assim a estrutura multicore do processor pode ser representada na Figura 61 Para finalizar a 10ª geração de processadores Intel Core dispõe de gráficos Intel Iris Plus que proporcionam uso de inteligência artificial IA no computador em larga escala para acelerar o desempenho Esses processadores possibilitam um novo nível de integração para aprimorar as experiências com PCs atuais e as necessárias para o futuro Como pudemos verificar a organização e arquitetura do processador evoluíram muito com o tempo Como essa arquitetura pode mudar ainda nos próximos anos 62 Recapitulando Introdução à arquitetura de alto desempenho Arquiteturas Paralelas Arquiteturas Multithreaded Arquitetura Multicore 61 62 63 64 65