3.6 Paralelismo multirpocesamiento

El paralelismo consiste en ejecutar más instrucciones en menos tiempo. Aunque las instrucciones sigan tardándose lo mismo al ejecutarse. A continuación mostraremos un ejemplo:
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.


El paralelismo en el software es la ejecución de un programa sin tomas en cuenta el hardware con que va ser ejecutado. Es considerado como el caso ideal de la ejecución de las instrucciones que forman parte de un programa, ya que no toma en cuenta las limitantes del hardware con que el mismo va ser ejecutado.

El paralelismo del hardware es la ejecución de un programa tomando en consideración el hardware con que va a ser ejecutado.

El desarrollo de hardware y software es un proceso integral que busca soluciones que permitan satisfacer cada vez más las condiciones de paralelismo con el fin de incrementar el promedio de ejecución paralela de instrucciones. Para lograr este objetivo es necesario detectar y resolver las dependencias entre instrucciones. El proceso de detección y resolución de dependencias entre instrucciones se conoce como el proceso de planificación de instrucciones.
Cuando la planificación de instrucciones es llevada a cabo únicamente por el compilador se dice que la planificación de instrucciones es estática. Y cuando la planificación de instrucciones es llevada a cabo únicamente por hardware (Ejemplo: microprocesador) se dice que la planificación de instrucciones es dinámica. La planificación de instrucciones en los microprocesadores súper escalares es un proceso de planificación de instrucciones estático y dinámico.