Aula 10 - Pipeline de instruções

27/10/2025

É possível obter um melhor desempenho tirando vantagem das melhorias da tecnologia. Uma forma de aprimorar esse desempenho é utilizando circuitos mais rápidos. Melhorias organizacionais no processador também podem melhorar a performance, como por exemplo usar mais registradores e o uso de uma memória cache maior. Outra abordagem organizacional é utilizar um pipeline de instruções.

O pipeline de instruções é uma ideia semelhante a uma linha de montagem ou de produção. A linha de montagem tira a vantagem do fato de que um produto passa por vários estágios de produção. Ao implantar esse processo, é possível trabalhar simultaneamente em diferentes instruções que estejam em diferentes estágios. De forma simplificada, os estágios de uma instrução são:

• Buscar: lê a próxima instrução da memória principal para o processador
• Executar: interpreta o opcode e efetua a ação desejada
• Interromper: se o sistema utiliza E/S controlada por interrupção, analisa se houve uma interrupção para atendê-la
• Ciclo indireto: a busca de um operando na memória pode haver acessos adicionais, em que determinada posição de memória não possui o valor necessário, e sim outro endereço que deve ser buscado. É uma ideia similar ao uso de ponteiros.

É possível quebrar esse ciclo de instruções em sub-etapas:

  %%{init: {'theme':'forest'}}%%
  flowchart TD
    CE[Cálculo do endereço da instrução] --> BI
    BI[Busca da instrução] --> DO
    DO[Decodificação da operação da instrução] --> CO
    CO[Cálculo do endereço do operando] --> BO
    BO[Busca do operando] -- Múltiplos operandos --> CO
    BO -- Indireção --> BO
    BO --> OD
    OD[Operação dos dados] --> COO
    COO[Cálculo do endereço do operando] --> AO
    AO[Armazenar operando] -- Múltiplos resultados --> COO
    AO -- Indireção --> AO
    AO --> VI
    VI[Verificar interrupção] --> IT
    VI -- Sem interrupção --> CE
    IT[Interrupção] --> CE

Essas sub-etapas acima são um fluxo complexo, e podemos simplificá-la para nosso pipeline em menos etapas. É possível, por exemplo, organizar o ciclo de instruções em seis sub-processos:

• Buscar instrução (BI): ler a próxima instrução esperada do programa
• Decodificar instrução (DI): determinar o opcode e especificadores dos operandos
• Calcular operandos (CO): calcular o endereço efetivo de cada operando de origem, contando inclusive com indireção
• Obter operandos (OO): obter cada operando da memória para registradores
• Executar instrução (EI): efetuar a operação indicada e armazenar o resultado
• Escrever operando (EO): armazenar o resultado na memória

Sem pipeline, a execução de instruções seriam mais ou menos desta forma (T1, T2, T3, ... indicam um clock):

Utilizando a ideia de pipeline, a execução ficaria mais ou menos desta forma:

Desta forma, utilizamos mais do chip do processador. Vale ressaltar que em determinado tempo (coluna da nossa tabela acima), não há duas instruções no mesmo sub-processo.

Hazard de pipeline

Alguns fatores limitam o aumento de desempenho, e esses fatores são chamados de hazards de pipeline. Um hazard ocorre quando o pipeline, ou alguma parte dele, precisa parar porque as condições não permitem a execução contínua. Essa parada também é conhecida como bolha de pipeline. Existem três tipos de hazards: recursos, dados e controle.

Hazard de recursos

Ocorre quando duas ou mais instruções que já estão no pipeline dependem do mesmo recurso. O resultado é que as instruções precisam ser executadas em sequência ao invés de paralelo para uma parte do pipeline. Esse hazard também é chamado de estrutural.

Exemplo: suponha que haja uma operação lenta, que gaste mais tempo que o esperado na tarefa "Executar Instrução (EI)", as demais instruções que estão prontas para execução devem esperar até o recurso ser liberado:

Hazard de dados

Ocorre quando há um conflito no acesso de uma posição de operando, isso é: duas instruções de um programa estão no pipeline e ambas acessam uma mesma posição de memória ou registrador. Se as instruções são executadas em um pipeline, é possível então que o valor seja utilizado na segunda operação antes do seu valor ser gravado na etapa de "Escrever Operando".

Exemplo:

Hazard de controle

Ocorre quando um pipeline toma uma decisão errada ao prever um desvio (if-else ou for) e acaba trazendo instruções para o pipeline que precisam ser descartadas

Exemplo: