Laboratorio 2 - Transformación de lazos, optimización del compilador y jerarquía de memoria

EL4314 - Arquitectura de Computadoras I

Escuela de Ingeniería Electrónica

Tecnológico de Costa Rica

Preámbulo

En este segundo laboratorio, usted experimentará el efecto que tienen la transformación de lazos, las optimizaciones del compilador y la jerarquía de memoria en el rendimiento de un procesador. Para la experimentación se usará un conjunto de aplicaciones de prueba, que incluye un arreglo de dos dimensiones, y otras cinco aplicaciones: matrix multiplication, Fast Fourier Transform (FFT), Adaptive Differential Pulse Code Modulation (ADPCM), Advanced Encryption Standard (AES) y JPEG, las cuales provienen del benchmark CHStone [1].

Para esta experimentación se utilizará el simulador (algo antiguo) llamado SimpleScalar, el cual es "una plataforma modular para la investigación de la arquitectura de sistemas computacionales". SimpleScalar permite realizar exploraciones del espacio de diseño de procesadores superscalares y entre los parámetros que se pueden explorar están la configuración de la memoria caché y del predictor de saltos. Wattch es una plataforma basada en SimpleScalar que permite la exploración y análisis de consumo de energía para un software en particular. Dicho simulador se encuentra disponible en una máquina virtual, la cual podrá descargar de aquí, y que ha sido preparada para este laboratorio 2 (usuario: arquitectura, contraseña: ARQUI)

[1] Yuko Hara, Hiroyuki Tomiyama, Shinya Honda, Hiroaki Takada and Katsuya Ishii, "CHStone: A benchmark program suite for practical C-based high-level synthesis," 2008 IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS), Seattle, WA, USA, 2008, pp. 1192-1195, doi: 10.1109/ISCAS.2008.4541637.

Uso del simulador

Para el uso del simulador es necesario:

• Compilar el código fuente mediante un toolchain de gcc específico para la arquitectura que utiliza el simulador.
• Definir la configuración deseada con las caracteristicas de la caché de la simulación.

Compilar el código fuente

Para compilar el código fuente utilice.

sslittle-na-sstrix-gcc -O0 hello.c -o hello

El -O0 indica que se utiliza el nivel de optimización 0, hay 4 niveles lo cuales tendrá que variar durante las pruebas O0, O1, O2 y O3.

Este toolchain se encuentra, en la máquina virtual, en la siguiente dirección: $HOME/simplescalar/bin.

Recomendación: exporte al PATH los directorios mencionados anteriormente de forma permanente en el archivo .bashrc (guía).

export PATH=$HOME/wattch/sim-wattch-1.02d:$PATH
export PATH=$HOME/simplescalar/bin:$PATH

Usted puede utilizar el archivo tools.setup para cargar los directorios de las herramientas a utilizar en este laboratorio en la variable $PATH, haciendo

source tools.setup

Configuración de la caché

La configuración base que usted utilizará en este laboratorio es:

	L1 Inst	L1 Data	L2 Unified
Tamaño (KB)	8	8	128
Número de conjuntos	256	256	4096
Asociatividad	1	1	1
Línea de cache (B)	32	32	32

La configuración anterior se configura en el simulador de la siguiente forma.

sim-outorder -cache:dl1 dl1:256:32:1:l -cache:il1 il1:256:32:1:l  -cache:il2 dl2 -cache:dl2 dl2:4096:32:1:l <binary>

Esta versión de sim-outorder se encuentra en la máquina vitual en la siguiente dirección: $HOME/wattch/sim-wattch-1.02d

Parte 1: Arreglo 2D

Usted empleará un pequeño programa en C que llenará una matriz de dos dimensiones, el mismo se realiza con dos lazos. Para asignar los datos a la matriz, se utiliza la suma del índice del lazo interno y externo actual, i.e., A[i][j]=i+j.

    for (i = 0; i < SIZE; i++)
        for (j = 0; j < SIZE; j++)
            A[i][j] = i + j;

En esta sección del laboratorio, usted analizará el rendimiento y el consumo de potencia, de este sencillo programa, esto desde dos puntos de vista de:

• El efecto de las transformaciones de lazo.
• El efecto de la optmizacion del compilador.

Transformación de lazos

Usted realizará la transformación de lazos al código de arreglo 2D, utilizando distintas dimensiones para la variable SIZE: 16x16, 32x23, 64x64, 128x128. Para este experimento utilice la configuración de la caché presentada anteriomente.

La siguiente lista presenta posibles transformaciones de lazo a realizar.

• Loop permutation
• Loop unrrolling
• Loop tiling

Note que se pueden implementar y analizar las transformaciones de manera independente o bien combinadas para cada tamaño del arreglo, además algunas transformaciones, como loop tiling, sólo tienen sentido para tamaños especificos.

Reporte y analice brevemente para cada uno de los tipos de trasformación utilizados. Agregue los archivos generados, a partir de array.c, en su repositorio.

Niveles de optimización del compilador

En esta sección se desea medir el efecto de los niveles de optimizacion del compilador. Para en el que el arreglo tiene dimensión 32x32, reporte y analice brevemente para los siguientes niveles de optimización: O0, O1, O2, O3.

Parte 2: Benchmark

Optimización del compilador

Usted ejecutará las 5 aplicaciones con las diferentes niveles de optimización del compilador y la configuración de la caché base descrita. Reporte y discuta brevemente el efecto de las diferentes optimizaciones.

Configuración de la caché

Considere además el efecto de modificar la jerarquía de memoria, particularmente el nivel L1 de la caché de datos. Proponga al menos 5 diferentes escenarios para esta memoria caché en donde varíe el nivel de asociatividad (y por lo tanto la cantidad de conjuntos), el tamaño de la línea de caché y la estrategia de reemplazo de bloque (LRU, FIFO o random). En todo caso, el tamaño de esta memoria caché no debe cambiar y el nivel de optimización en la compilación debe ser O0.

Reporte y discuta brevemente los resultados obtenidos para los diferentes escenarios y para las 5 aplicaciones. Para el caso de las modifiaciones de la caché L1 de datos, utilice la media geométrica para determinar cuál es la mejor configuración tomando en cuenta el rendimiento de la caché y el tiempo de ejecución.

Mediciones y análisis

Para todas las experimentaciones que realizará en este laboratorio, extraiga los siguientes datos de los reportes generados por el simulador:

• Potencia consumida por el software.
• Número de instrucciones ejecutadas y tiempo de ejecución.
• Rendimiento de caché.

Evaluación

Este laboratorio se evaluará con la siguiente rúbrica

Rubro	%	C	EP	D	NP
Transformaciones manuales	50
Optimización del compilador	10
Experimentación con benchmark	20
Uso de repositorio	20

C: Completo, EP: En progreso ($\times 0,8$), D: Deficiente ($\times 0,5$), NP: No presenta ($\times 0$)

• El uso del repositorio implica que existan contribuciones de todos los miembros del equipo. El último commit debe registrarte antes de las 23:59 del viernes 24 de marzo de 2023.