3.6 paralelismo Publicado por Equipo 6 252M , jueves, 5 de noviembre de 2009 at 19:45, in

Funcionamiento
El paralelismo consiste en ejecutar más instrucciones en menos tiempo, aunque las instrucciones sigan tardando lo mismo en ejecutarse, mediante un simple truco, aunque algo difícil de explicar en detalle. Intentémoslo.
un microprocesador ejecuta instrucciones de código máquina.
Estas instrucciones le dicen como tiene que ir modificando diferentes posiciones de memoria, y como debe ir modificando el flujo de ejecución. Se tiende a pensar, erróneamente, que un procesador con un reloj a 200 MHz (200 millones de ciclos por segundo) ejecuta 200 millones de estas operaciones por segundo. Esto no es así, por una sencilla razón. Una instrucción no se ejecuta en un solo ciclo de reloj, salvo alguna rara excepción. De hecho, algunas instrucciones tardan bastantes más ciclos, llegando algunas a necesitar 50 o más ciclos para completarse. En cambio, las más rápidas se ejecutan en tan sólo 3 o 4 ciclos de reloj. Aquí es donde entra el paralelismo para solucionar este problema. Se puede dividir cualquier instrucción en fases más o menos comunes a todas:
-fetch (carga de la instrucción desde la memoria al procesador)
-decodificación (identificación de qué instrucción nos hemos encontrado)
-carga de operandos
-operación en sí
-escritura de resultados
Este esquema, expresamente simplificado, nos da una idea de las fases que todo microprocesador tiene. Vamos a suponer un microprocesador ideal donde todas las operaciones que se pueden ejecutar en él tardan 15 ciclos, correspondientes a tres ciclos por cada una de las 5 fases que hemos descrito. Si ejecutáramos tres de estas operaciones sin ningún tipo de paralelismo, tardaríamos 45 ciclos, según el siguiente esquema:
instr.1:111222333444555
instr.2:_________111222333444555
instr. 3:________111222333444555
Ahora supongamos que somos capaces de dividir el microprocesador en circuitos separados capaces cada uno de trabajar independientemente y ejecutar cada una de las 5 fases anteriores. Si logramos que sean independientes, cuando la instrucción uno ha acabado ya la fase de fetch y pasa a la decodificación, deja libre el módulo que se encarga del fetch, donde puede ir ya ejecutándose la segunda instrucción. De esta forma, logramos paralelizar las instrucciones.
instr.1111222333444555
instr.2:___111222333444555
instr. 3:______111222333444555
Resultado: las tres instrucciones, por separado, siguen ejecutándose en el mismo tiempo, pero en conjunto ya no tardan 45 ciclos, sino solo 21 ciclos. Más de un 45% de incremento en el rendimiento. De esta forma es como algunos procesadores muy paralelizados logran ejecutar, en promedio, más de una instrucción por ciclo de reloj, aunque estas instrucciones tarden, por sí mismas, más de un ciclo en ejecutarse.

Paralelismo en hardware Definamos como paralelismo en hardware como la ejecución de un programa tomando en consideración el hardware con que va a ser ejecutado.
El diagrama de paralelismo en Software representa el caso ideal con que dicho programa puede ser ejecutado. Nótese que la ejecución de las 8 instrucciones se realiza solamente en tres ciclos de máquina. Por otro lado podemos observar las limitantes que genera la ejecución de este mismo programa con un hardware en particular (procesador Superescalar con capacidad de ejecutar un acceso a la memoria y una operación aritmética simultáneamente) obteniendo 6 ciclos de maquina para ejecutar el programa.