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Resumo: Microprogramação é uma técnica comum no projeto de unidades de controle em processadores. Além de facilitar a implementação da unidade de controle, o microcódigo pode ser modificado para adicionar novas funcionalidades ou aplicar correções a projetos já existentes. À medida que novas funcionalidades são adicionadas à CPU, a área e o consumo de energia associados ao microcódigo também aumentam. Em um projeto recente de um processador da Intel, direcionado a baixo consumo de energia e área reduzida, estimou-se que a área e o consumo de energia associados ao microcódigo corresponderiam a 20% do total do chip. Neste trabalho, investigamos a utilização de técnicas de compressão para reduzir o tamanho do microcódigo. A partir das restrições impostas no projeto de processadores de alto desempenho, fizemos uma análise qualitativa das técnicas de compressão de código e microcódigo e mostramos que a compressão de microcódigo em dois níveis é a técnica mais adequada para se comprimir o microcódigo nesses processadores. Na compressão de microcódigo em dois níveis, as microinstruções são substituídas por apontadores para dicionários que armazenam os padrões de bits extraídos do microcódigo. Os apontadores são armazenados em uma ROM denominada ¿vetor de apontadores¿ e os padrões de bits residem em ROMs distintas, denominadas ¿dicionários¿. A técnica também permite que as colunas do microcódigo sejam agrupadas em conjuntos de forma a reduzir o número de padrões de bits nos dicionários. O agrupamento de colunas similares é fundamental para minimizar o número de padrões de bits nos dicionários e, conseqüentemente, maximizar a redução do tamanho do microcódigo. A principal contribuição desta tese é um conjunto de algoritmos para agrupar as colunas do microcódigo e maximizar a compressão. Resultados experimentais, com microcódigos extraídos de processadores em produção e em estágios avançados de desenvolvimento, mostram que os algoritmos propostosmelhoram de 6% a 20% os resultados obtidos com os outros algoritmos encontrados na literatura e comprimem o microcódigo em até 50% do seu tamanho original. Ainda neste trabalho, identificamos a necessidade de se comprimir o microcódigo com restrições no número de dicionários e na quantidade de colunas por dicionário. Também provamos que, com essas restrições, o agrupamento de colunas do microcódigo é um problema NP-Completo. Por fim, propomos um algoritmo para agrupar colunas sob estas restrições. Os resultados experimentaismostram que o algoritmo proposto é capaz de produzir bons resultados de compressão

Resumo: O surgimento das novas arquiteturas multiprocessadas introduziu novos desafios ao desenvolvimento de software. Dentre estes desafios está a dificuldade de realizar a sincronização adequada entre os fluxos de execução. Para solucionar este problema, novos mecanismos de sincronização com abstrações mais simplificadas tem sido propostos. Seguindo esta corrente, as Memórias Transacionais surgem como uma promissora alternativa aos mecanismos de sincronização tradicionais. Por se tratar de uma alternativa recentemente proposta, pouco se conhece a respeito dos efeitos no consumo de energia devido ao uso de Memórias Transacionais. Este trabalho apresenta um estudo comparativo entre os consumos de energia observados na execução do benchmark STAMP com usos de um sistema STM (Memória Transacional em Software) e de sincronização baseada em locks. Os resultados obtidos demonstram que a STM apresentou um desempenho inferior aos locks no que diz respeito ao consumo de energia, apresentando um consumo médio três vezes maior. Também foi avaliada a influência das penalidades decorrentes do uso de locks no consumo de energia, mostrando que, em sistemas cujo custo de falha na aquisição de um lock supera dez mil ciclos, a aplicação de STMs passa a ser uma abordagem competitiva. Durante os testes com Memórias Transacionais tornou-se clara a necessidade de ferramentas de simulação que possibilitam projetos de hardware e testes de software de forma mais ágil. Este trabalho descreve a implementação de uma plataforma de simulação para estimar o consumo de energia com abstração híbrida obtida a partir da integração de processadores funcionais que são gerados através da linguagem ArchC com a plataforma MPARM (que possui precisão de ciclos). Esta implementação atingiu ganhos de desempenho médios de até 2.1 vezes, com um máximo de 2.9 vezes. Imprecisões obtidas nas estimativas de consumo de energia puderam ser estatisticamente corrigidas através da aplicação de métodos de regressão linear, apresentando erros médios de 5,85%, sendo o erro mínimo e máximo de 0,87% e 19,6%, respectivamente

Resumo: Em um passado recente os sistemas eram constituídos de partes discretas tais como microprocessadores, memórias e Application Specific Integrated Circuits (ASICs). Essa separação clara e simples tornava possível a especificação ser feita por uns poucos projetistas utilizando uma abordagem top-down: a partir de um modelo comportamental ou Register-Transfer Level (descritos em VHDL, por exemplo), progressivamente refinando o modelo ate o nível Transistor-to-Transistor. Entretanto, o avanço contínuo do processo de miniaturização de transistores possibilitou a criação de sistemas completos integrados em um único chip (também chamados de System-on-chip). Dado que esses sistemas s~ao tipicamente constituídos por diversos componentes complexos, um nível mais alto de abstração - o de sistema - foi criado, juntamente com suas linguagens associadas (como a linguagem SystemC), para facilitar o trabalho dos projetistas. As linguagens utilizadas para modelar no nível de sistema são diferentes das linguagens utilizadas para modelar nos níveis comportamental e Register-Transfer. Assim, surge o problema de como co-verificar componentes descritos em diferentes níveis de abstração; característica desejável para projetos de grande porte, já que fornece uma garantia de interoperabilidade entre os componentes no sistema final. Este trabalho, então, apresenta uma metodologia para resolver o problema de co-simulação entre a linguagem de descrição de hardware VHDL e a linguagem de descrição de sistema SystemC através do uso da Verilog Procedural Interface (VPI). Alem da metodologia em si, descreve-se o trabalho no sentido de criar um arcabouço para validar a metodologia e testes comparativos entre a implementação feita e uma ferramenta comercial popular

Resumo: Trabalhos não muito recentes já mostravam que o aumento de velocidade nas memórias DRAM não acompanha o aumento de velocidade dos processadores. Mesmo assim, pesquisadores na área de arquitetura de computadores continuam buscando novas abordagens para aumentar o desempenho dos processadores. Dentro do objetivo de minimizar essa diferença de velocidade entre memória e processador, este trabalho apresenta um novo esquema de codificação baseado em instruções codificadas e padrões de instruções ¿ PBIW (Pattern Based Instruction Word). Uma instrução codificada não contém redundância de dados e é armazenada em uma I-cache. Os padrões de instrução, de forma diferente, são armazenados em uma nova cache, chamada Pattern cache (P-cache) e são utilizados pelo circuito decodificador na preparação da instrução que será repassada aos estágios de execução. Esta técnica se mostrou uma boa alternativa para estilos arquiteturais conhecidos como arquiteturas VLIW e EPIC. Foi realizado um estudo de caso da técnica PBIW sobre uma arquitetura de alto desempenho chamada de 2D-VLIW. O desempenho da técnica de codificação foi avaliado através de experimentos com programas dos benchmarks MediaBench, SPECint e SPECfp. Os experimentos estáticos avaliaram a eficiência da codificação PBIW no aspecto de redução de código. Nestes experimentos foram alcançadas reduções no tamanho dos programas de até 81% sobre programas codificados com a estratégia de codifica¸c¿ao 2D-VLIW e reduções de até 46% quando comparados á programas utilizando o modelo de codificação EPIC. Experimentos dinâmicos mostraram que a codificação PBIW também é capaz que gerar ganhos com relação ao tempo de execução dos programas. Quando comparada à codificação 2D-VLIW, o speedup alcançado foi de at'e 96% e quando comparada à EPIC, foi de até 69%

Resumo: Desde sua popularização, processadores dobraram de capacidade e desempenho à cada dois anos. No entanto, paralelamente, essa tendência foi apenas sustentada pelo crescimento da sofisticação das implementações utilizadas. Atualmente, apesar de eficientes, processadores são complexos e difíceis de projetar. Para gerenciar esse problema, foram criadas linguagens chamadas ADLs que simplificam a especificação e simulação em níveis mais abstratos, enquanto HDLs ainda são utilizadas para a descrição RTL. Esse trabalho unifica o fluxo de especificação e simulação de processadores com o fluxo de implementação RTL a partir da mesma linguagem ADL. Para isso, escolhemos uma linguagem de descrição de arquitetura chamada ArchC. Sintetizamos com sucesso parte de processadores descritos em ArchC, como o PIC16F84, o I8051, o MIPS-I, o R3000 e uma JVM. Subconjuntos dos processadores foram prototipados em FPGA, com frequências de operação entre 80MHZ à 120MHZ projetados duas a três vezes mais rapidamente do que os desenvolvidos com HDLs. Mostramos que ArchC é sintetizável, completando o fluxo de projeto da linguagem até o nível RTL. Criamos as ferramentas necessárias e fornecemos modelos RTL dos processadores citados

Resumo: Com o passar do anos, os sistemas digitais estão se tornando cada vez mais complexos, aglutinando processadores de propósito geral com hardware e barramentos especializados em uma única pastilha de silício, devido às restrições de consumo, espaço e desempenho. Para contornar esta complexidade e o curto time-to-market, os projetistas estão adotando novas metodologias de descriçãao de hardware em alto nível baseadas em linguagens de descrição de sistemas como o SystemC. Estas descrições permitem o desenvolvimento e o teste do software cedo, sobre um ambiente simulado, e são mais rápidas de escrever e simular que as descrições em baixo níivel. A desvantagem é a perda da precisão da simulação no que diz respeito aos ciclos de clock, que pode ser ignorada nas fases iniciais de projeto. O ArchC é um projeto do LSC que tem como alvo a geração de simuladores de conjuntos de instruções e outras ferramentas a partir de modelos descritos em uma linguagem similar a SystemC. Os simuladores gerados são compatíveis com SystemC e podem ser compilados com ferramentas gratuitas como GCC. Seguindo os passos da indústria, ele suporta descrições de alto nível com comunicação por chamada de funções (TLM ¿ Modelagem em nível de transações ) desde a versão 2.0. Um problema comum quando se está desenvolvendo hardware especializado usando linguagens de descrição de alto nível é a depuração. A utilização das ferramentas existentes como o GDB (GNU Debugger) não é trivial dado que a biblioteca SystemC passa a fazer parte do simulador quando este é compilado. Propomos uma metodologia de depuração baseada em reflexão computacional de módulos SystemC para gerar dicionários que alimentam um módulo capaz de inspecionar e alterar outros módulos em tempo de execução. No presente trabalho, apresentaremos a ARP, a plataforma de referência do ArchC. Seu público alvo são os arquitetos de projetos baseados em plataformas, fornecendo um ambiente para o desenvolvimento de plataformas utilizando simuladores ArchC e os novos usuários, introduzindo o protocolo de comunicação do ArchC, o SystemC e as metodologias relacionadas ao projeto de plataformas

Resumo: A adoção de processadores com múltiplos núcleos pela indústria, levou à necessidade de novas técnicas para facilitar a programação de software paralelo. A técnica chamada memórias transacionais é uma das mais promissoras. Esta técnica é capaz de executar tarefas concorrentemente de forma otimista, o que permite um bom desempenho. Outra vantagem é que a sua utilização é muito mais simples comparada com a técnica clássica de exclusão mútua. Neste trabalho é proposto o primeiro modelo de memória transacional para arquiteturas híbridas, neste caso a arquitetura alvo é o processador Cell BE. O processador Cell BE é especialmente complexo por causa das dificuldades que a arquitetura deste processador impõe ao programador quando se necessita acessar a memória global compartilhada. O modelo proposto age como uma camada entre o programa e a memória principal, permitindo um acesso transparente aos dados, garantindo coerência e realizando o controle de concorrência de forma automática. O modelo proposto utiliza Software Cache combinado com a memória transacional para facilitar o acesso à memória externa a partir dos SPEs. Ele foi implementado e testado utilizando 8 aplicativos benchmark diferentes, mostrando sua viabilidade para casos de uso reais. Foi feita uma análise detalhada de cada parte da arquitetura proposta com relação ao impacto no desempenho geral do sistema. Este modelo foi capaz de obter um desempenho até duas vezes superior à implementação utilizando um mutex global. As vantagens da utilização se concentram principalmente na facilidade de uso, garantias de coerência e por evitar alguns tipos de bugs que seriam comuns em uma implementação com mutex, como por exemplo dead-locks. Este trabalho obteve o prêmio de melhor artigo no SBAC-PAD 2008