線性流水線與非線性流水線

1、線性流水線與非線性流水線按照流水線的各個(gè)流水段之間是否有反饋信號(hào)，可以把流水線分為線性流水線和非線性流水線兩類。線性流水線（linear pipelining）是將流水線的各段逐個(gè)串接起來(lái)。輸入數(shù)據(jù)從流水線的一端進(jìn)入，從另一端輸出。數(shù)據(jù)在流水線中的各個(gè)流水段流過(guò)時(shí)，每一個(gè)流水段都流過(guò)一次，而且僅僅流過(guò)一次。一條線性流水線通常只完成一種固定的功能。在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，線性流水線已經(jīng)被非常廣泛地應(yīng)用于指令執(zhí)行過(guò)程、各種算術(shù)運(yùn)算操作、存儲(chǔ)器訪問(wèn)操作等。在上一節(jié)中介紹的流水線中，如圖5.13所示的指令流水線，圖5.14所示的浮點(diǎn)加法器流水線等都屬于線性流水線。非線性流水線（nonlinear pipe

2、lining）在流水線的各個(gè)流水段之間除了有串行的連接之外，還可以有前饋和反饋連接。圖5.17是一種簡(jiǎn)單的非線性流水線。流水線的流水段s2的輸出可能直接傳送給流水段s3，也可能反饋到本流水段的輸入。圖5.17 一種簡(jiǎn)單的非線性流水線在圖5.17中，雖然總共只有三個(gè)流水段，但是，輸入任務(wù)經(jīng)過(guò)流水線到達(dá)輸出，往往不只是經(jīng)過(guò)三個(gè)時(shí)鐘周期；其中，流水段s2可能要被多次調(diào)用，這也是非線性流水線與線性流水線的一個(gè)主要區(qū)別。因此，在非線性流水線中，只用圖5.17這樣一種連接圖并不能表示出一個(gè)任務(wù)在流水線中實(shí)際流動(dòng)的過(guò)程。表示非線性流水線的工作情況除了需要流水線的連接圖之外，通常還需要一張“預(yù)約表”，用兩者共

3、同來(lái)表示流水線的工作情況。在預(yù)約表中可以很清楚地表示出反饋回路的使用次數(shù)。例如，圖5.18表示圖5.17中反饋回路僅使用一次的預(yù)約表，圖中用“”表示這一個(gè)流水段在相應(yīng)的這一段時(shí)間內(nèi)有效，即任務(wù)經(jīng)過(guò)了這一個(gè)流水段。圖5.18 非線性流水線的預(yù)約表一條非線性流水線可以對(duì)應(yīng)有很多張預(yù)約表，同樣，一張預(yù)約表實(shí)際上僅表示了一條非線性流水線的一種工作方式。線性流水線實(shí)際上也有預(yù)約表，只不過(guò)它的預(yù)約表是確定的。首先，預(yù)約表的水平方向與垂直方向的格數(shù)一定是相等，即組成一個(gè)正方形。其次，預(yù)約表中從左上角到右下角所有格子是全部有效的，即是打“”的；而預(yù)約表的其余部分一定都是空白的。因此，在描述線性流水線時(shí)，一般不

4、給出預(yù)約表。單功能與多功能流水線一條流水線只能完成一種固定的功能，這種流水線稱為單功能流水線（unifunction pipelining）。例如，浮點(diǎn)加法器流水線專門(mén)完成浮點(diǎn)加法運(yùn)算，浮點(diǎn)乘法器流水線專門(mén)完成浮點(diǎn)乘法運(yùn)算。當(dāng)要實(shí)現(xiàn)多種不同功能時(shí)，可以采用多條單功能流水線。如cray-1計(jì)算機(jī)種有12條單功能流水線，我國(guó)研制的yh-1計(jì)算機(jī)有18條單功能流水線。pentium處理機(jī)有一條5段的整數(shù)運(yùn)算流水線和一條8段的浮點(diǎn)運(yùn)算流水線。采用超流水線體系結(jié)構(gòu)的alpha 21064處理機(jī)有三條流水線，其中，整數(shù)操作和訪問(wèn)存儲(chǔ)器操作為7段流水線，浮點(diǎn)運(yùn)算操作為10段流水線。多功能流水線（multif

5、unction pipelining）是指流水線的各段可以進(jìn)行不同的連接。在不同時(shí)間內(nèi)，或在同一時(shí)間內(nèi)，通過(guò)不同的連接方式實(shí)現(xiàn)不同的功能。多功能流水線的典型代表是texas儀器公司的高級(jí)科學(xué)計(jì)算機(jī)asc中采用的8段流水線。在一臺(tái)asc處理機(jī)內(nèi)有4條相同的流水線，每條流水線通過(guò)不同的連接方式可以完成整數(shù)加減法運(yùn)算、整數(shù)乘法運(yùn)算、浮點(diǎn)加法運(yùn)算、浮點(diǎn)乘法運(yùn)算，還可以實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算、移位操作和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能等。它除了支持標(biāo)量運(yùn)算之外，還支持向量運(yùn)算，如兩個(gè)向量的浮點(diǎn)點(diǎn)積運(yùn)算等。在處理機(jī)中采用多功能流水線的優(yōu)點(diǎn)是流水線中各個(gè)功能部件的利用率比較高。由于在實(shí)際的標(biāo)量運(yùn)算程序中，各種運(yùn)算操作一般是混合在一起的，

6、這一點(diǎn)與向量運(yùn)算操作有很大的不同，因此，在標(biāo)量計(jì)算機(jī)的指令執(zhí)行部件中采用多功能流水線是一種比較合理的選擇。與采用多功能流水線不同的另一種方案是設(shè)置多條專門(mén)的單功能流水線，在許多向量流水線處理機(jī)中就是這樣做的。靜態(tài)流水線與動(dòng)態(tài)流水線在多功能流水線中，按照在同一時(shí)間內(nèi)是否能夠連接成多種方式，同時(shí)執(zhí)行多種功能，可以把多功能流水線分為靜態(tài)流水線和動(dòng)態(tài)流水線兩種。所謂靜態(tài)流水線（static pipelining）是指在同一段時(shí)間內(nèi)，多功能流水線中的各個(gè)流水段只能按照一種固定的方式連接，實(shí)現(xiàn)一種固定的功能。只有當(dāng)按照這種連接方式工作的所有任務(wù)都流出流水線之后，多功能流水線才能重新進(jìn)行連接，以實(shí)現(xiàn)其它功能

7、。動(dòng)態(tài)流水線（dynamic pipelining）是指在同一段時(shí)間內(nèi)，多功能流水線中的各段可以按照不同的方式連接，同時(shí)執(zhí)行多種功能。當(dāng)然，同時(shí)實(shí)現(xiàn)多種連接發(fā)生是有條件的，即流水線中的各個(gè)功能部件之間不能發(fā)生沖突。在靜態(tài)流水線中，只有程序中連續(xù)出現(xiàn)同一種運(yùn)算時(shí)，流水線的效率才能得到充分的發(fā)揮。如果輸入到流水線中的是一串不同運(yùn)算相互間隔的操作，則這條靜態(tài)流水線的效率就與順序執(zhí)行方式完全一樣。而動(dòng)態(tài)流水線則不同，它允許兩種運(yùn)算在同一條流水線中同時(shí)執(zhí)行。因此，在一般情況下，動(dòng)態(tài)流水線的效率和功能部件的利用率要比靜態(tài)流水線高，但是，動(dòng)態(tài)流水線的控制比靜態(tài)流水線要復(fù)雜得多。目前，在大多數(shù)處理機(jī)中均采用靜態(tài)流水線。除了以上幾種流水線的分類方法之外，還可以從其它多種不同角度來(lái)劃分流水線。例如，按照不同的數(shù)據(jù)表示方式，可以把流水線分為標(biāo)量流水線和向量流水線兩種。標(biāo)量流水線一般用于標(biāo)量處理機(jī)中，而向量流