Desempenho de Pipeline com Cache de Dois Níveis

Considere um processador com um pipeline de 5 estágios e dois níveis de cache: L1 (cache de nível 1) e L2 (cache de nível 2). O tempo de acesso ao cache L1 é de 1 ciclo de clock, enquanto o tempo de acesso ao cache L2 é de 5 ciclos de clock. O processador tem um CPI (Cycles Per Instruction) de 1,5 quando não há stalls. No entanto, devido a dependências de dados, 20% das instruções causam stalls que resultam em 2 ciclos adicionais cada. Determine o CPI efetivo do processador e o tempo médio de acesso à memória (AMAT) considerando que 80% das acessos à memória são atendidos pelo cache L1 e 15% pelo cache L2. Calcule também o impacto do forwarding nas instruções que causam stalls.

• Cálculo do CPI efetivo:
• O CPI efetivo pode ser calculado considerando os stalls. Temos:
• - CPI base = 1,5
• - Porcentagem de instruções que causam stalls = 20%
• - Ciclos adicionais por stall = 2
• O número esperado de stalls por instrução é dado por:

Portanto, o CPI efetivo é:

• Cálculo do AMAT:
• O tempo médio de acesso à memória é dado pela fórmula:

Onde:
- $P(L1)=0,8$ (80% dos acessos atendidos pelo cache L1)
- $T(L1)=1$ ciclo
- $P(L2)=0,15$ (15% dos acessos atendidos pelo cache L2)
- $T(L2)=5$ ciclos
- $P(M)=0,05$ (5% dos acessos que vão para a memória principal)
- $T(M)=100$ ciclos (tempo de acesso à memória principal)
Substituindo os valores, temos:

• Impacto do Forwarding:
• O forwarding reduz o número de stalls, mas não elimina completamente. Vamos considerar que o forwarding reduz a quantidade de stalls em 50%. Portanto, o novo número de stalls é:

O novo CPI efetivo, considerando o forwarding, é:

• Conclusão:
• O CPI efetivo do processador sem forwarding é 1,9 e com forwarding é 1,7. O AMAT é 6,55 ciclos. Assim, o forwarding tem um impacto positivo no desempenho do pipeline ao reduzir o CPI efetivo.