Superando los Riesgos en la Segmentación de Procesadores: Estrategias y Soluciones

El Principal Obstáculo de la Segmentación

• Hay situaciones, llamadas riesgos (hazards), que impiden que se ejecute la siguiente instrucción del flujo de instrucciones durante su ciclo de reloj designado.

• Los riesgos reducen el rendimiento de la velocidad ideal lograda por la segmentación.

Riesgos de la Segmentación

• Riesgos estructurales: surgen de conflictos de los recursos, cuando el hardware no puede soportar todas las combinaciones posibles de instrucciones en ejecuciones solapadas simultáneamente.
• Riesgos por dependencias de datos: surgen cuando una instrucción depende de los resultados de una instrucción anterior, de forma que ambas podrían llegar a ejecutarse de forma solapada.
• Riesgos de control: surgen de la segmentación de los saltos y otras instrucciones que cambian el PC.

• Los riesgos en la segmentación pueden hacer necesario detenerla.

• La diferencia principal entre detenciones en una máquina segmentada y en una no segmentada se presenta porque hay múltiples instrucciones ejecutándose a la vez.

Detención

En una máquina segmentada requiere, con frecuencia, que prosigan algunas instrucciones, mientras se retardan otras.

• Normalmente, cuando una instrucción está detenida, todas las instrucciones posteriores a esta instrucción también se detienen.

• Las instrucciones anteriores a la instrucción detenida pueden continuar, pero no se buscan instrucciones nuevas durante la detención.

• La detención hace que el rendimiento de la segmentación se degrade con relación al rendimiento ideal.

Recordar que la segmentación se puede considerar como una disminución del CPI o de la duración del ciclo de reloj; la trataremos como una disminución del CPI.

Riesgos Estructurales

• Cuando se segmenta una máquina, la ejecución solapada de las instrucciones requiere la segmentación de unidades funcionales y duplicación de recursos para permitir todas las posibles combinaciones de instrucciones.

• Si alguna combinación de instrucciones no se puede acomodar debido a conflictos de recursos, se dice que la máquina tiene un riesgo estructural.

• Las instancias más comunes de riesgos estructurales surgen cuando alguna unidad funcional no está completamente segmentada. Entonces, el procesador no puede iniciar, secuencialmente, ninguna secuencia de instrucciones, en las que todas utilicen esa unidad funcional.

• También aparecen riesgos estructurales cuando algunos recursos no se han duplicado lo suficiente, para que permitan la ejecución de todas las combinaciones de instrucciones.

• Por ejemplo, una máquina puede tener solamente un puerto de escritura en el fichero de registros, pero bajo ciertas circunstancias, puede haber necesidad de realizar dos escrituras en un ciclo de reloj.

• Lo anterior generará un riesgo estructural.

• Cuando una secuencia de instrucciones encuentre este riesgo, el procesador detendrá una de las instrucciones hasta que la unidad requerida esté disponible.

• Muchas máquinas segmentadas comparten un único puerto de memoria para datos e instrucciones.