第五章中央處理器-4指令流水線

1、計算機組成原理 中央處理器(4)2016-4-2014:33第第5 5章章 中央處理器中央處理器計算機組成原理214:335.6 5.6 流水流水CPUCPUv 5.6.1 并行處理技術(shù)并行處理技術(shù)v 5.6.2 流水流水CPU的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)v 5.6.3 流水線中的主要問題流水線中的主要問題v 5.6.4 奔騰奔騰CPU計算機組成原理314:335.6.1 5.6.1 并行處理技術(shù)并行處理技術(shù)計算機組成原理414:335.6.1 5.6.1 并行處理技術(shù)并行處理技術(shù)計算機組成原理514:335.6.2 5.6.2 流水流水CPUCPU的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)計算機組成原理614:335.6.2 5.6.2

2、 流水流水CPUCPU的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)計算機組成原理714:335.6.2 5.6.2 流水流水CPUCPU的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)v 標(biāo)量流水計算機標(biāo)量流水計算機只有一條指令流水線；只有一條指令流水線；v 超標(biāo)量流水計算機超標(biāo)量流水計算機有多條指令流水線，超標(biāo)度有多條指令流水線，超標(biāo)度N表示就有表示就有N條流水條流水線，上述超標(biāo)量計算機的超標(biāo)度為線，上述超標(biāo)量計算機的超標(biāo)度為2；計算機組成原理814:335.6.2 5.6.2 流水流水CPUCPU的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)v 具有兩條以上的指令流水線；具有兩條以上的指令流水線； v 上圖中流水線滿載時，每一個時鐘上圖中流水線滿載時，每一個時鐘周期可以執(zhí)行周期可以執(zhí)行2條

3、指令；條指令； v 采用時間和空間并行技術(shù)；采用時間和空間并行技術(shù)；計算機組成原理914:335.6.2 5.6.2 流水流水CPUCPU的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)計算機組成原理1014:335.6.2 5.6.2 流水流水CPUCPU的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)計算機組成原理1114:335.6.2 5.6.2 流水流水CPUCPU的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)計算機組成原理1214:335.6.3 5.6.3 流水線中的主要問題流水線中的主要問題計算機組成原理1314:335.6.3 5.6.3 流水線中的主要問題流水線中的主要問題計算機組成原理1414:335.6.3 5.6.3 流水線中的主要問題流水線中的主要問題計算機組成原理15

4、14:335.6.3 5.6.3 流水線中的主要問題流水線中的主要問題計算機組成原理1614:335.6.3 5.6.3 流水線中的主要問題流水線中的主要問題計算機組成原理1714:335.6.3 5.6.3 流水線中的主要問題流水線中的主要問題 計算機組成原理1814:335.6.3 5.6.3 流水線中的主要問題流水線中的主要問題計算機組成原理1914:335.6.4 5.6.4 流水線性能流水線性能 1. 吞吐率吞吐率 單位時間內(nèi)單位時間內(nèi) 流水線所完成指令流水線所完成指令 或或 輸出結(jié)果輸出結(jié)果 的的 數(shù)量數(shù)量 最大吞吐率最大吞吐率 實際吞吐率實際吞吐率 連續(xù)處理連續(xù)處理 n 條指令的

5、吞吐率為條指令的吞吐率為設(shè)設(shè) m 段的流水線各段時間為段的流水線各段時間為tTpmax =1tTp =m + (n-1) ntt14:332. 加速比加速比 Sp m 段的段的 流水線的速度流水線的速度 與等功能的與等功能的 非流水線的速度非流水線的速度 之比之比 設(shè)流水線各段時間為設(shè)流水線各段時間為 t 完成完成 n 條指令在條指令在 m 段流水線上共需段流水線上共需 T = m + (n-1) t t 完成完成 n 條指令在等效的非流水線上共需條指令在等效的非流水線上共需 T = nmt Sp = m +(n-1) nm =nmm + n -1 t t t 則則5.6.4 5.6.4 流水

6、線性能流水線性能 14:33由于流水線有由于流水線有 建立時間建立時間 和和 排空時間排空時間因此各功能段的因此各功能段的 設(shè)備不可能設(shè)備不可能 一直一直 處于處于 工作工作 狀態(tài)狀態(tài) 流水線中各功能段的流水線中各功能段的 利用率利用率3. 效率效率 mt31245312453124531245 n-1 nn-1 nn-1 nn-1 nT時間時間S空間空間空間空間S4S3S2S1(n-1) t5.6.4 5.6.4 流水線性能流水線性能 14:33m(m + n -1) t = mnt 流水線各段處于工作時間的時空區(qū)流水線各段處于工作時間的時空區(qū)流水線中各段總的時空區(qū)流水線中各段總的時空區(qū) 效率效率 = 3. 效率效率 流水線中各功能段的流水線中各功能段的 利用率利用率5.6.4 5.6.4 流水線性能流水線性能 mt3124531245