B.4 Execução de Instruções
Um conjunto de instruções é um conjunto de bits devidamente codificados que indica ao computador que sequência de micro-operações ele deve realizar. Elas podem ser classificadas, dentre outras formas, como (WEBER, 2004):
O conjunto de instruções envolve o conjunto de todas as instruções que um computador reconhece e pode executar. Todo programa é formado por uma sequência finita de instruções de um determinado conjunto de instruções. A maioria das instruções que formam um programa realiza operações que envolvem operandos (dados), que podem estar em qualquer posição de memória ou em algum registrador.
Para que a UC consiga localizar o operando é necessário que o endereço dele seja indicado junto com a instrução. Nas instruções que envolvem a operação de desvio é necessário indicar para qual posição ou endereço de programa será realizado o desvio.
B.4.1 Sequência de Funcionamento
A sequência para a realização de uma instrução pelo processador é conhecida como ciclo de “busca – decodificação – execução” de instruções.
Uma instrução é buscada por vez para ser executada, de acordo com os seguintes passos:
No ciclo de instrução, as seguintes ações são executadas:
A sequência do ciclo de instruções é executada para cada nova instrução a ser executada repetidamente e se constitui nas seguintes etapas (WEBER, 2004):
B.4.2 Pipelines
Nos computadores mais antigos as instruções eram executadas uma por uma, com o processador buscando uma instrução na memória, decodificando-a (determinar qual instrução era), lendo as entradas das instruções (no banco de registradores), executando os cálculos exigidos pela instrução e escrevendo os resultados de volta no banco de registradores. O problema desta abordagem é que o hardware necessário para executar cada um desses passos é diferente, de modo que a maior parte dele fica ocioso em um determinado momento, esperando que as outras partes do processador completem a sua parte de execução da instrução. (CARTER, 2002)
Com o objetivo de tornar ágil este processo, evita-se que elementos do processador fiquem parados, é utilizada a técnica de pipelining (pipe = tubo; line = sequência). Ela consiste em reduzir o tempo de execução de um conjunto de instruções, sendo que o tempo para executar uma instrução continua o mesmo, mas a quantidade de instruções executadas por um período de tempo aumenta. (CARTER, 2002)
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É uma técnica de implementação de CPU onde múltiplas instruções podem estar em execução ao mesmo tempo em estágios de processamento diferentes, sendo que cada um deles é responsável pela execução de uma parte da instrução e possui o seu próprio bloco de controle. Assim que um estágio completa sua tarefa com uma instrução, passa ela para o estágio seguinte e começa a tratar da próxima instrução. Sendo que várias instruções são executadas ao mesmo tempo, ocorre um acréscimo no desempenho do processador.
A execução de uma instrução, por exemplo, pode ser dividida em 5 estágios básicos:
Sem a utilização de pipeline a execução de uma instrução ocorreria da seguinte maneira:
Tempo |
EstÁgio1 |
EstÁgio2 |
EstÁgio3 |
EstÁgio4 |
EstÁgio5 |
1 |
processo1 |
Tempo |
EstÁgio1 |
EstÁgio2 |
EstÁgio3 |
EstÁgio4 |
EstÁgio5 |
1 |
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2 |
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processo1 |
Tempo |
EstÁgio1 |
EstÁgio2 |
EstÁgio3 |
EstÁgio4 |
EstÁgio5 |
1 |
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2 |
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3 |
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processo1 |
Tempo |
EstÁgio1 |
EstÁgio2 |
EstÁgio3 |
EstÁgio4 |
EstÁgio5 |
1 |
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2 |
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3 |
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4 |
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processo1 |
Tempo |
EstÁgio1 |
EstÁgio2 |
EstÁgio3 |
EstÁgio4 |
EstÁgio5 |
1 |
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2 |
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3 |
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4 |
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5 |
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processo1 |
Tempo |
EstÁgio1 |
EstÁgio2 |
EstÁgio3 |
EstÁgio4 |
EstÁgio5 |
1 |
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2 |
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3 |
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4 |
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5 |
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6 |
processo2 |
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Dessa forma, quando um estágio estava ocupado executando sua função, os outros 4 estágios ficavam ociosos, assim como apenas um processo ocupa o processador, levando cinco unidades de tempo para executar e só então outro processo pode começar a ser processado.
Com a utilização de pipelines, o primeiro processo continua demorando cinco unidades de tempo para ser executado, mas logo a seguir, em cada unidade de tempo um novo processo é executado. Conforme segue:
Tempo |
EstÁgio1 |
EstÁgio2 |
EstÁgio3 |
EstÁgio4 |
EstÁgio5 |
1 |
processo1 |
Tempo |
EstÁgio1 |
EstÁgio2 |
EstÁgio3 |
EstÁgio4 |
EstÁgio5 |
1 |
processo1 |
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2 |
processo2 |
processo1 |
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Tempo |
EstÁgio1 |
EstÁgio2 |
EstÁgio3 |
EstÁgio4 |
EstÁgio5 |
1 |
processo1 |
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2 |
processo2 |
processo1 |
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3 |
processo3 |
processo2 |
processo1 |
Tempo |
EstÁgio1 |
EstÁgio2 |
EstÁgio3 |
EstÁgio4 |
EstÁgio5 |
1 |
processo1 |
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2 |
processo2 |
processo1 |
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3 |
processo3 |
processo2 |
processo1 |
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4 |
processo4 |
processo3 |
processo2 |
processo1 |
Tempo |
EstÁgio1 |
EstÁgio2 |
EstÁgio3 |
EstÁgio4 |
EstÁgio5 |
1 |
processo1 |
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2 |
processo2 |
processo1 |
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3 |
processo3 |
processo2 |
processo1 |
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4 |
processo4 |
processo3 |
processo2 |
processo1 |
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5 |
processo5 |
processo4 |
processo3 |
processo2 |
processo1 |
Tempo |
EstÁgio1 |
EstÁgio2 |
EstÁgio3 |
EstÁgio4 |
EstÁgio5 |
1 |
processo1 |
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2 |
processo2 |
processo1 |
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3 |
processo3 |
processo2 |
processo1 |
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4 |
processo4 |
processo3 |
processo2 |
processo1 |
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5 |
processo5 |
processo4 |
processo3 |
processo2 | processo1 |
6 |
processo6 |
processo5 |
processo4 |
processo3 |
processo2 |
Alguns estágios apresentam tempo de execução diferente dos outros, fazendo com que o tempo necessário para encher o pipeline e esvaziá-lo seja variável, com instruções ficando presas no pipeline, aguardando que as instruções que geram suas entradas sejam executadas. Também existe uma série de fatores que limitam a capacidade de um pipeline de executar instruções, como dependências entre instruções (leitura ou escrita de registradores que estão sendo utilizados por outras instruções), desvios (processador não sabe qual instrução deve buscar até que ocorra o desvio) e o tempo necessário para acessar a memória. (CARTER, 2002).
Devido à existência de fatores que podem comprometer o desempenho do uso de pipelines, existem técnicas que são utilizadas para amenizá-los:
B.4.3 Medidas de Desempenho
Existem diversas formas de medir o desempenho de sistemas computacionais. Dentre elas podemos destacar: