計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)--第4章

1、1 1/134/1344.1指令級并行的概念4.2指令的動態(tài)調(diào)度4.3動態(tài)分支預(yù)測技術(shù)4.4多指令流出技術(shù)4.5循環(huán)展開和指令調(diào)度第4章 指令級并行2 2/134/134幾乎所有的處理機(jī)都利用流水線來使指令重疊并行執(zhí)行，以達(dá)到提高性能的目的。這種指令之間存在的潛在并行性稱為指令級并行。 （ILPILP：Instruction-Level ParallelismInstruction-Level Parallelism）本章研究：如何通過各種可能的技術(shù)，獲得更多的指令級并行性。 硬件軟件技術(shù)硬件軟件技術(shù) 必須要硬件技術(shù)和軟件技術(shù)互相配合，才能夠最大必須要硬件技術(shù)和軟件技術(shù)互相配合，才能夠最大限度

2、地挖掘出程序中存在的指令級并行。限度地挖掘出程序中存在的指令級并行。4.1 指令級并行4.1.1 指令級并行的概念3 3/134/1344.1 指令級并行1. 流水線處理機(jī)的實(shí)際CPI理想流水線的CPI加上各類停頓的時(shí)鐘周期數(shù)： CPICPI流水線流水線 = CPI= CPI理想理想 + + 停頓停頓結(jié)構(gòu)沖突結(jié)構(gòu)沖突 + + 停頓停頓數(shù)據(jù)沖突數(shù)據(jù)沖突 + + 停頓停頓控制沖突控制沖突理想CPI是衡量流水線最高性能的一個(gè)指標(biāo)。IPC：Instructions Per Cycle （每個(gè)時(shí)鐘周期完成的指令條數(shù)）（每個(gè)時(shí)鐘周期完成的指令條數(shù)）w基本程序塊基本程序塊：一段除了入口和出口以外不包含其他分

3、支的線性代碼段。2.程序平均每57條指令就會有一個(gè)分支。4 4/134/1344.1 指令級并行w循環(huán)級并行：使一個(gè)循環(huán)中的不同循環(huán)體并行執(zhí)行。開發(fā)循環(huán)體中存在的并行性q最常見、最基本最常見、最基本是指令級并行研究的重點(diǎn)之一例如，考慮下述語句： for for （i=1i=1； i=500i2n2）分支預(yù)測的性能差不多。分支預(yù)測的性能差不多。兩位分支預(yù)測的狀態(tài)轉(zhuǎn)換如下所示： 分分支支預(yù)預(yù)測測： 不不成成功功 分分支支預(yù)預(yù)測測： 成成功功 11 10 分分支支不不成成功功 分分支支成成功功 分分支支不不成成功功 分分支支成成功功 01 00 分分支支不不成成功功 分分支支成成功功 分分支支不不成

4、成功功 分分支支成成功功 5757/134/1344.3 動態(tài)分支預(yù)測技術(shù)兩位分支預(yù)測中的操作有兩個(gè)步驟：q分支預(yù)測。分支預(yù)測。n當(dāng)分支指令到達(dá)譯碼段當(dāng)分支指令到達(dá)譯碼段（IDID）時(shí)，根據(jù)從時(shí)，根據(jù)從BHTBHT讀出讀出的信息進(jìn)行分支預(yù)測的信息進(jìn)行分支預(yù)測 。n若預(yù)測正確，就繼續(xù)處理后續(xù)的指令，流水線沒若預(yù)測正確，就繼續(xù)處理后續(xù)的指令，流水線沒有斷流。否則，就要作廢已經(jīng)預(yù)取和分析的指令，有斷流。否則，就要作廢已經(jīng)預(yù)取和分析的指令，恢復(fù)現(xiàn)場，并從另一條分支路徑重新取指令?；謴?fù)現(xiàn)場，并從另一條分支路徑重新取指令。 q狀態(tài)修改。狀態(tài)修改。 wBHT方法只在以下情況下才有用：4.判定分支是否成功所需

5、的時(shí)間大于確定分支目標(biāo)地址所需的時(shí)間。 5858/134/1344.3 動態(tài)分支預(yù)測技術(shù)前述前述5 5段經(jīng)典流水線段經(jīng)典流水線：由于判定分支是否成功和計(jì)算：由于判定分支是否成功和計(jì)算分支目標(biāo)地址都是在分支目標(biāo)地址都是在IDID段完成，所以段完成，所以BHTBHT方法不會給方法不會給該流水線帶來好處。該流水線帶來好處。w研究結(jié)果表明：對于SPEC89測試程序來說，具有大小為4K的BHT的預(yù)測準(zhǔn)確率為82%99%。 一般來說，采用一般來說，采用4K4K的的BHTBHT就可以了。就可以了。 5. BHT可以跟分支指令一起存放在指令Cache中，也可以用一個(gè)專門的硬件來實(shí)現(xiàn)。 5959/134/134

6、4.3 動態(tài)分支預(yù)測技術(shù)目標(biāo)：將分支的開銷降為 0方法：分支目標(biāo)緩沖將分支成功的分支指令的地址和它的分支目標(biāo)地址都放到一個(gè)緩沖區(qū)中保存起來，緩沖區(qū)以分支指令的地址作為標(biāo)識。這個(gè)緩沖區(qū)就是分支目標(biāo)緩沖器（Branch-Target Buffer，簡記為BTB，或者Branch-Target Cache）。 4.3.2 采用分支目標(biāo)緩沖器BTB6060/134/1344.3 動態(tài)分支預(yù)測技術(shù)1. BTB的結(jié)構(gòu) N = =？ 當(dāng)前取指令的地址當(dāng)前取指令的地址 地址標(biāo)識地址標(biāo)識 預(yù)測的分支目標(biāo)地址預(yù)測的分支目標(biāo)地址 查找查找 認(rèn)為本指令不是分支指令，認(rèn)為本指令不是分支指令， 按普通指令正常執(zhí)行。按普通

7、指令正常執(zhí)行。 Y 認(rèn)為該指令是成功的分支指令，用預(yù)測的認(rèn)為該指令是成功的分支指令，用預(yù)測的 分支目標(biāo)地址作為下一條指令的分支目標(biāo)地址作為下一條指令的 PCPC 值。值。 6161/134/1344.3 動態(tài)分支預(yù)測技術(shù)看成是用專門的硬件實(shí)現(xiàn)的一張表格。 表格中的每一項(xiàng)至少有兩個(gè)字段： q執(zhí)行過的成功分支指令的地址；執(zhí)行過的成功分支指令的地址；（作為該表的匹配標(biāo)識（作為該表的匹配標(biāo)識 ）q預(yù)測的分支目標(biāo)地址。預(yù)測的分支目標(biāo)地址。2. 采用BTB后，在流水線各個(gè)階段所進(jìn)行的相關(guān)操作： 當(dāng)前當(dāng)前 PCPC 值值 BTBBTB 中存在匹配的項(xiàng)？中存在匹配的項(xiàng)？ 成功分支指令？成功分支指令？ 當(dāng)前分支

8、成功？當(dāng)前分支成功？ 以以 BTBBTB 的第二字段作為的第二字段作為 否否 否否 正常執(zhí)行指令正常執(zhí)行指令 是是 是是 否否 分支預(yù)測正確，分支預(yù)測正確， 繼續(xù)執(zhí)行后繼指令，繼續(xù)執(zhí)行后繼指令， 指令無 不會出現(xiàn)停頓。不會出現(xiàn)停頓。 分支預(yù)測錯(cuò)誤，清除分支預(yù)測錯(cuò)誤，清除 已取的指令，并從另已取的指令，并從另 一個(gè)分支（即失一個(gè)分支（即失敗處敗處） 取指令。從取指令。從 BTBBTB 中刪中刪 除相應(yīng)的項(xiàng)。除相應(yīng)的項(xiàng)。 將其將其 PCPC 值和分支值和分支 目標(biāo)地址寫入目標(biāo)地址寫入 BTBBTB 中，作為一個(gè)新項(xiàng)。中，作為一個(gè)新項(xiàng)。 IFIF 段段 IDID 段段 EXEX 段段 送存儲器和送存

9、儲器和 BTBBTB 分支目標(biāo)地址送給分支目標(biāo)地址送給 PCPC 是是 6363/134/1344.3 動態(tài)分支預(yù)測技術(shù)w采用BTB后，各種可能情況下的延遲 ：指令在指令在BTBBTB中？中？ 預(yù)測預(yù)測 實(shí)際情況實(shí)際情況 延遲周期延遲周期 是是 成功成功 成功成功 0 0 是是 成功成功 不成功不成功 2 2 不是不是 成功成功 2 2 不是不是 不成功不成功 0 0 6464/134/1344.3 動態(tài)分支預(yù)測技術(shù)wBTB的另一種形式 在分支目標(biāo)緩沖器中存放一條或者多條分支目標(biāo)處的指令。有三個(gè)潛在的好處：q更快地獲得分支目標(biāo)處的指令；更快地獲得分支目標(biāo)處的指令；q可以一次提供分支目標(biāo)處的多條

10、指令，這對于多流出可以一次提供分支目標(biāo)處的多條指令，這對于多流出處理器是很有必要的；處理器是很有必要的；q使我們可以進(jìn)行稱為使我們可以進(jìn)行稱為分支折疊分支折疊（branch foldingbranch folding）的優(yōu)化。的優(yōu)化。 實(shí)現(xiàn)零延遲無條件分支，甚至有時(shí)還可以做到實(shí)現(xiàn)零延遲無條件分支，甚至有時(shí)還可以做到零延遲條件分支。零延遲條件分支。6565/134/1344.3 動態(tài)分支預(yù)測技術(shù)前瞻執(zhí)行（speculation）的基本思想： 對分支指令的結(jié)果進(jìn)行猜測，并假設(shè)這個(gè)猜測總是對的，然后按這個(gè)猜測結(jié)果繼續(xù)取、流出和執(zhí)行后續(xù)的指令。只是執(zhí)行指令的結(jié)果不是寫回到寄存器或存儲器，而是放到一個(gè)稱

11、為ROB（ReOrder Buffer）的緩沖器中。等到相應(yīng)的指令得到“確認(rèn)”（commit）（即確實(shí)是應(yīng)該執(zhí)行的）之后，才將結(jié)果寫入寄存器或存儲器。 4.3.3 基于硬件的前瞻執(zhí)行6666/134/1344.3 動態(tài)分支預(yù)測技術(shù)1. 基于硬件的前瞻執(zhí)行結(jié)合了三種思想：動態(tài)分支預(yù)測。用來選擇后續(xù)執(zhí)行的指令。在控制相關(guān)的結(jié)果尚未出來之前，前瞻地執(zhí)行后續(xù)指令。用動態(tài)調(diào)度對基本塊的各種組合進(jìn)行跨基本塊的調(diào)度。2. 對Tomasulo算法加以擴(kuò)充，就可以支持前瞻執(zhí)行。 把Tomasulo算法的寫結(jié)果和指令完成加以區(qū)分，分成兩個(gè)不同的段： 寫結(jié)果寫結(jié)果，指令確認(rèn)指令確認(rèn) 6767/134/1344.3

12、動態(tài)分支預(yù)測技術(shù)寫結(jié)果段q把前瞻執(zhí)行的結(jié)果寫到把前瞻執(zhí)行的結(jié)果寫到ROBROB中；中；q通過通過CDBCDB在指令之間傳送結(jié)果，供需要用到這些結(jié)果在指令之間傳送結(jié)果，供需要用到這些結(jié)果的指令使用。的指令使用。指令確認(rèn)段 在分支指令的結(jié)果出來后，對相應(yīng)指令的前瞻執(zhí)行在分支指令的結(jié)果出來后，對相應(yīng)指令的前瞻執(zhí)行給予確認(rèn)。給予確認(rèn)。q如果前面所做的猜測是對的，把在如果前面所做的猜測是對的，把在ROBROB中的結(jié)果寫到中的結(jié)果寫到寄存器或存儲器。寄存器或存儲器。q如果發(fā)現(xiàn)前面對分支結(jié)果的猜測是錯(cuò)誤的，那就不予如果發(fā)現(xiàn)前面對分支結(jié)果的猜測是錯(cuò)誤的，那就不予以確認(rèn)，并從那條分支指令的另一條路徑開始重新執(zhí)以

13、確認(rèn)，并從那條分支指令的另一條路徑開始重新執(zhí)行。行。 6868/134/1344.3 動態(tài)分支預(yù)測技術(shù)w實(shí)現(xiàn)前瞻的關(guān)鍵思想： 允許指令亂序執(zhí)行，但必須順序確認(rèn)。w支持前瞻執(zhí)行的浮點(diǎn)部件的結(jié)構(gòu) 從指令部件來從指令部件來 浮點(diǎn)寄存器浮點(diǎn)寄存器 FP 地址部件地址部件 load/store 操作操作 浮點(diǎn)操作浮點(diǎn)操作 操作數(shù)總線操作數(shù)總線 操作總線操作總線 store數(shù)據(jù)數(shù)據(jù) 1 1 存儲部件存儲部件 浮點(diǎn)加法器浮點(diǎn)加法器 浮點(diǎn)乘法器浮點(diǎn)乘法器 指令隊(duì)列指令隊(duì)列 地址地址 2 3 2 3 4 5 6 公共數(shù)據(jù)總線（公共數(shù)據(jù)總線（CDB） 1 2 保留站保留站 ROB 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù) 寄存器號寄存器號 緩沖

14、器緩沖器 load store地址地址 保留站保留站 load 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù) 7070/134/1344.3 動態(tài)分支預(yù)測技術(shù)ROB中的每一項(xiàng)由以下4個(gè)字段組成：q指令類型指令類型 指出該指令是分支指令、指出該指令是分支指令、storestore指令或寄存器操作指令。指令或寄存器操作指令。q目標(biāo)地址目標(biāo)地址 給出指令執(zhí)行結(jié)果應(yīng)寫入的目標(biāo)寄存器號（如果是給出指令執(zhí)行結(jié)果應(yīng)寫入的目標(biāo)寄存器號（如果是 loadload和和ALUALU指令）或存儲器單元的地址（如果是指令）或存儲器單元的地址（如果是storestore指指 令）。令）。q數(shù)據(jù)值字段數(shù)據(jù)值字段 用來保存指令前瞻執(zhí)行的結(jié)果，直到指令得到確認(rèn)。

15、用來保存指令前瞻執(zhí)行的結(jié)果，直到指令得到確認(rèn)。q就緒字段就緒字段 指出指令是否已經(jīng)完成執(zhí)行并且數(shù)據(jù)已就緒。指出指令是否已經(jīng)完成執(zhí)行并且數(shù)據(jù)已就緒。7171/134/1344.3 動態(tài)分支預(yù)測技術(shù)Tomasulo算法中保留站的換名功能是由ROB來完成的。 w采用前瞻執(zhí)行機(jī)制后，指令的執(zhí)行步驟：（在（在TomasuloTomasulo算法的基礎(chǔ)上改造的算法的基礎(chǔ)上改造的 ）流出 q從浮點(diǎn)指令隊(duì)列的頭部取一條指令。從浮點(diǎn)指令隊(duì)列的頭部取一條指令。q如果有空閑的保留站（設(shè)為如果有空閑的保留站（設(shè)為r r）且有空閑的）且有空閑的ROBROB項(xiàng)（設(shè)項(xiàng)（設(shè)為為b b），就流出該指令，并把相應(yīng)的信息放入保留站

16、），就流出該指令，并把相應(yīng)的信息放入保留站r r和和ROBROB項(xiàng)項(xiàng)b b。5.5.如果保留站或如果保留站或ROBROB全滿，便停止流出指令，直到它們?nèi)珴M，便停止流出指令，直到它們都有空閑的項(xiàng)。都有空閑的項(xiàng)。 7272/134/1344.3 動態(tài)分支預(yù)測技術(shù)執(zhí)行 q如果有操作數(shù)尚未就緒，就等待，并不斷地監(jiān)測如果有操作數(shù)尚未就緒，就等待，并不斷地監(jiān)測CDBCDB。 ( (檢測檢測RAWRAW沖突沖突) )q當(dāng)兩個(gè)操作數(shù)都已在保留站中就緒后，就可以執(zhí)行該指當(dāng)兩個(gè)操作數(shù)都已在保留站中就緒后，就可以執(zhí)行該指令的操作。令的操作。寫結(jié)果 q當(dāng)結(jié)果產(chǎn)生后，將該結(jié)果連同本指令在流出段所分配到當(dāng)結(jié)果產(chǎn)生后，將該

17、結(jié)果連同本指令在流出段所分配到的的ROBROB項(xiàng)的編號放到項(xiàng)的編號放到CDBCDB上，經(jīng)上，經(jīng)CDBCDB寫到寫到ROBROB以及所有等待以及所有等待該結(jié)果的保留站。該結(jié)果的保留站。q釋放產(chǎn)生該結(jié)果的保留站。釋放產(chǎn)生該結(jié)果的保留站。q storestore指令指令在本階段完成，其操作為在本階段完成，其操作為: : 7373/134/1344.3 動態(tài)分支預(yù)測技術(shù)n如果要寫入存儲器的數(shù)據(jù)已經(jīng)就緒，就把該數(shù)如果要寫入存儲器的數(shù)據(jù)已經(jīng)就緒，就把該數(shù)據(jù)寫入分配給該據(jù)寫入分配給該storestore指令的指令的ROBROB項(xiàng)。項(xiàng)。n否則，就監(jiān)測否則，就監(jiān)測CDBCDB，直到那個(gè)數(shù)據(jù)在，直到那個(gè)數(shù)據(jù)在CD

18、BCDB上播送上播送出來，這時(shí)才將之寫入分配給該出來，這時(shí)才將之寫入分配給該storestore指令的指令的ROBROB項(xiàng)項(xiàng)。確認(rèn) 對分支指令、storestore指令以及其他指令的處理不同：q其他指令其他指令（除分支指令和除分支指令和storestore指令）指令） 當(dāng)該指令到達(dá)當(dāng)該指令到達(dá)ROBROB隊(duì)列的頭部而且其結(jié)果已經(jīng)隊(duì)列的頭部而且其結(jié)果已經(jīng)就緒時(shí)，就把該結(jié)果寫入該指令的目標(biāo)寄存器，并從就緒時(shí)，就把該結(jié)果寫入該指令的目標(biāo)寄存器，并從ROBROB中刪除該指令。中刪除該指令。 7474/134/1344.3 動態(tài)分支預(yù)測技術(shù)qstorestore指令指令 處理與上面類似，只是它把結(jié)果寫入

19、存儲器。處理與上面類似，只是它把結(jié)果寫入存儲器。q分支指令分支指令 n當(dāng)預(yù)測錯(cuò)誤的分支指令到達(dá)當(dāng)預(yù)測錯(cuò)誤的分支指令到達(dá)ROBROB隊(duì)列的頭部時(shí)，隊(duì)列的頭部時(shí)，清空清空ROBROB，并從分支指令的另一個(gè)分支重新開始，并從分支指令的另一個(gè)分支重新開始執(zhí)行。執(zhí)行。 （錯(cuò)誤的前瞻執(zhí)行）（錯(cuò)誤的前瞻執(zhí)行）n當(dāng)預(yù)測正確的分支指令到達(dá)當(dāng)預(yù)測正確的分支指令到達(dá)ROBROB隊(duì)列的頭部時(shí)，隊(duì)列的頭部時(shí)，該指令執(zhí)行完畢。該指令執(zhí)行完畢。 7575/134/1344.3 動態(tài)分支預(yù)測技術(shù) 例例4.34.3 假設(shè)浮點(diǎn)功能部件的延遲時(shí)間為：加法假設(shè)浮點(diǎn)功能部件的延遲時(shí)間為：加法2 2個(gè)時(shí)鐘周期，個(gè)時(shí)鐘周期，乘法乘法101

20、0個(gè)時(shí)鐘周期，除法個(gè)時(shí)鐘周期，除法4040個(gè)時(shí)鐘周期。對于下面的代碼段，個(gè)時(shí)鐘周期。對于下面的代碼段，給出當(dāng)指令給出當(dāng)指令MUL.DMUL.D即將確認(rèn)時(shí)的狀態(tài)表內(nèi)容。即將確認(rèn)時(shí)的狀態(tài)表內(nèi)容。 L.D L.D F6,34F6,34（R2R2） L.D L.D F2,45F2,45（R3R3） MUL.D F0,F2,F4 MUL.D F0,F2,F4 SUB.D F8,F6,F2 SUB.D F8,F6,F2 DIV.D F10,F0,F6 DIV.D F10,F0,F6 ADD.D F6,F8,F2 ADD.D F6,F8,F27676/134/1344.3 動態(tài)分支預(yù)測技術(shù)名稱名稱 保留站保

21、留站 Busy Op Vj Vk Qj Qk Dest A Add1 no Add2 no Add3 no Mult1 no MUL Mem45+ RegsR2 RegsF4 #3 Mult2 yes DIV Mem34+RegsR2 #3 #5 前瞻執(zhí)行中MUL.D確認(rèn)前，保留站和ROB的狀態(tài) 項(xiàng)號項(xiàng)號 ROB Busy 指令指令 狀態(tài)狀態(tài) 目的目的 Value 1 no L.D F6, 34（R2） 確認(rèn)確認(rèn) F6 Mem34+RegsR2 2no L.D F2, 45（R3） 確認(rèn)確認(rèn) F2 Mem45+RegsR3 3yes MUL.D F0, F2, F4 寫結(jié)果寫結(jié)果 F0 #2R

22、egsF4 4yes SUB.D F8, F6, F2 寫結(jié)果寫結(jié)果 F8 #1#2 5yes DIV.D F10, F0, F6 執(zhí)行執(zhí)行 F10 6yes ADD.D F6,F8,F2 寫結(jié)果寫結(jié)果 F6 #4#2 字段字段 浮點(diǎn)寄存器狀態(tài)浮點(diǎn)寄存器狀態(tài) F0 F2 F4 F6 F8 F10 F30 ROB項(xiàng)編號 3645Busy yes no no yes yes yes no7878/134/1344.3 動態(tài)分支預(yù)測技術(shù)w前瞻執(zhí)行通過ROB實(shí)現(xiàn)了指令的順序完成。能夠?qū)崿F(xiàn)精確異常。很容易地推廣到整數(shù)寄存器和整數(shù)功能單元上。 主要缺點(diǎn)：所需的硬件太復(fù)雜。 7979/134/134一個(gè)時(shí)鐘

23、周期內(nèi)流出多條指令， CPI1。單流出和多流出處理機(jī)執(zhí)行指令的時(shí)空圖對比 4.4 多指令流出技術(shù)8080/134/134 IF 1 2 3 4 5 6 7 時(shí)鐘周期時(shí)鐘周期 指令指令 I1 I2 I3 ID EX MEM WBIF ID EX MEM WBIF ID EX MEM WB1 2 3 4 5 6 7 時(shí)鐘周期時(shí)鐘周期 指令指令 I1 I2 I3 IF ID EX MEM WBIF IF ID ID EX EX MEM MEM WBWBIF ID EX MEM WBIF ID EX MEM WBIF ID EX MEM WBIF ID EX MEM WBIF ID EX MEM WB

24、IF ID EX MEM WB單流出時(shí)空圖單流出時(shí)空圖 多流出時(shí)空圖多流出時(shí)空圖 單流出和多流出處理機(jī)執(zhí)行指令的時(shí)空圖單流出和多流出處理機(jī)執(zhí)行指令的時(shí)空圖 4.4 多指令流出技術(shù)8181/134/1344.4 多指令流出技術(shù)1. 多流出處理機(jī)有兩種基本風(fēng)格：超標(biāo)量（Superscalar）q在每個(gè)時(shí)鐘周期流出的指令條數(shù)在每個(gè)時(shí)鐘周期流出的指令條數(shù)不固定不固定，依代碼的具，依代碼的具體情況而定。（有上限）體情況而定。（有上限）q設(shè)這個(gè)上限為設(shè)這個(gè)上限為n n，就稱該處理機(jī)為，就稱該處理機(jī)為n n流出。流出。q可以通過編譯器進(jìn)行靜態(tài)調(diào)度，也可以基于可以通過編譯器進(jìn)行靜態(tài)調(diào)度，也可以基于Tomasu

25、loTomasulo算法進(jìn)行動態(tài)調(diào)度。算法進(jìn)行動態(tài)調(diào)度。 超長指令字VLIW（Very Long Instruction Word）q在每個(gè)時(shí)鐘周期流出的指令條數(shù)是在每個(gè)時(shí)鐘周期流出的指令條數(shù)是固定的固定的，這些指令，這些指令構(gòu)成一條長指令或者一個(gè)指令包。構(gòu)成一條長指令或者一個(gè)指令包。q指令包中，指令之間的并行性是通過指令顯式地表示指令包中，指令之間的并行性是通過指令顯式地表示出來的。出來的。q指令調(diào)度是由編譯器靜態(tài)完成的。指令調(diào)度是由編譯器靜態(tài)完成的。 8282/134/1344.4 多指令流出技術(shù)w超標(biāo)量處理機(jī)與VLIW處理機(jī)相比有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：超標(biāo)量結(jié)構(gòu)對程序員是透明的，因?yàn)樘幚頇C(jī)能自己檢測

26、下一條指令能否流出，從而不需要重新排列指令來滿足指令的流出。即使是沒有經(jīng)過編譯器針對超標(biāo)量結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)度優(yōu)化的代碼或是舊的編譯器生成的代碼也可以運(yùn)行，當(dāng)然運(yùn)行的效果不會很好。q要想達(dá)到很好的效果，方法之一：要想達(dá)到很好的效果，方法之一： 使用動態(tài)超標(biāo)量調(diào)度技術(shù)。使用動態(tài)超標(biāo)量調(diào)度技術(shù)。w下表列出了一些基本的多流出技術(shù)、這些技術(shù)的特點(diǎn)以及采用這些技術(shù)的處理機(jī)例子。技技 術(shù)術(shù) 流出流出結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 沖突沖突檢測檢測 調(diào)調(diào) 度度 主要特點(diǎn)主要特點(diǎn) 處理機(jī)實(shí)例處理機(jī)實(shí)例 超標(biāo)量超標(biāo)量（靜態(tài)）（靜態(tài)） 動態(tài)動態(tài) 硬件硬件 靜態(tài)靜態(tài)順序執(zhí)行順序執(zhí)行 Sun UltraSPARC/ 超標(biāo)量超標(biāo)量（動態(tài)）（動態(tài)）

27、動態(tài)動態(tài) 硬件硬件 動態(tài)動態(tài)部分亂序執(zhí)行部分亂序執(zhí)行 IBM Power2 超標(biāo)量超標(biāo)量（猜測）（猜測） 動態(tài)動態(tài) 硬件硬件 帶有猜帶有猜測的動測的動態(tài)執(zhí)行態(tài)執(zhí)行 帶有猜測的帶有猜測的亂序執(zhí)行亂序執(zhí)行 Pentium /4，MIPS R10K，Alpha 21264， HP PA 8500，IBM RS64 VLIW/LIW 靜態(tài)靜態(tài) 軟件軟件 靜態(tài)靜態(tài)流出包之間流出包之間沒有沖突沒有沖突 Trimedia，i860 EPIC 主要是主要是靜態(tài)靜態(tài) 主要是主要是軟件軟件 主要是主要是靜態(tài)靜態(tài)相關(guān)性被編譯相關(guān)性被編譯器顯式地標(biāo)記器顯式地標(biāo)記出來出來 Itanium 8484/134/1344.4

28、 多指令流出技術(shù)在典型的超標(biāo)量處理器中，每個(gè)時(shí)鐘周期可流出1到8條指令。指令按序流出，在流出時(shí)進(jìn)行沖突檢測。 在當(dāng)前流出的指令序列中，不存在數(shù)據(jù)沖突或者相在當(dāng)前流出的指令序列中，不存在數(shù)據(jù)沖突或者相關(guān)沖突。關(guān)沖突。舉例：一個(gè)4流出的靜態(tài)調(diào)度超標(biāo)量處理機(jī) 在取指令階段，流水線將從取指令部件收到14條指令（稱為流出包）。q在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，這些指令有可能是全部都能流出，在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，這些指令有可能是全部都能流出，也可能是只有一部分能流出。也可能是只有一部分能流出。4.4.1 基于靜態(tài)調(diào)度的多流出技術(shù)8585/134/1344.4 多指令流出技術(shù)流出部件檢測結(jié)構(gòu)沖突或者數(shù)據(jù)沖突。一般分兩階段實(shí)現(xiàn)

29、：一般分兩階段實(shí)現(xiàn)：q第一階段：第一階段：進(jìn)行流出包內(nèi)的沖突檢測，選出初步判定進(jìn)行流出包內(nèi)的沖突檢測，選出初步判定可以流出的指令?？梢粤鞒龅闹噶睢第二階段：第二階段：檢測所選出的指令與正在執(zhí)行的指令是否檢測所選出的指令與正在執(zhí)行的指令是否有沖突。有沖突。 MIPS處理機(jī)是怎樣實(shí)現(xiàn)超標(biāo)量的呢？假設(shè)：每個(gè)時(shí)鐘周期流出兩條指令： 1 1條整數(shù)型指令條整數(shù)型指令1 1條浮點(diǎn)操作指令條浮點(diǎn)操作指令q其中，把其中，把loadload指令、指令、storestore指令、分支指令歸類為整指令、分支指令歸類為整數(shù)型指令。數(shù)型指令。 8686/134/1344.4 多指令流出技術(shù)1. 要求：同時(shí)取兩條指令（6

30、4位），譯碼兩條指令（64位）。2. 對指令的處理包括以下步驟：從Cache中取兩條指令。確定那幾條指令可以流出（02條指令）。把它們發(fā)送到相應(yīng)的功能部件。3. 雙流出超標(biāo)量流水線中指令的執(zhí)行過程 假設(shè)：所有的浮點(diǎn)指令都是加法指令，其執(zhí)行時(shí)間為兩個(gè)時(shí)鐘周期。為簡單起見，下圖中總是把整數(shù)指令放在浮點(diǎn)指令的前面。 8787/134/1344.4 多指令流出技術(shù)指令類型指令類型 流水線工作情況流水線工作情況 整數(shù)指令整數(shù)指令 IF ID EX MEM WB 浮點(diǎn)指令浮點(diǎn)指令 IF ID EX EXMEMWB 整數(shù)指令整數(shù)指令 IF ID EX MEM WB 浮點(diǎn)指令浮點(diǎn)指令 IF ID EX EXM

31、EMWB 整數(shù)指令整數(shù)指令 IF ID EX MEM WB 浮點(diǎn)指令浮點(diǎn)指令 IF ID EX EXMEMWB 整數(shù)指令整數(shù)指令 IF ID EX MEM WB 浮點(diǎn)指令浮點(diǎn)指令 IF ID EX EXMEM8888/134/1344.4 多指令流出技術(shù)w采用“1條整數(shù)型指令1條浮點(diǎn)指令”并行流出的方式，需要增加的硬件很少。w浮點(diǎn)load或浮點(diǎn)store指令將使用整數(shù)部件，會增加對浮點(diǎn)寄存器的訪問沖突。 增設(shè)一個(gè)浮點(diǎn)寄存器的讀/寫端口。w由于流水線中的指令多了一倍，定向路徑也要增加。 8989/134/1344.4 多指令流出技術(shù)w限制超標(biāo)量流水線的性能發(fā)揮的障礙。 load指令 qloadl

32、oad后續(xù)后續(xù)3 3條條指令都不能使用其結(jié)果，否則就會引起停指令都不能使用其結(jié)果，否則就會引起停頓。頓。 分支延遲 q如果分支指令是流出包中的第一條指令，則其延遲是如果分支指令是流出包中的第一條指令，則其延遲是3 3個(gè)個(gè)時(shí)鐘周期；時(shí)鐘周期；q否則就是流出包中的第二條指令，其延遲就是否則就是流出包中的第二條指令，其延遲就是兩個(gè)兩個(gè)時(shí)時(shí)鐘周期。鐘周期。 9090/134/1344.4 多指令流出技術(shù)擴(kuò)展Tomasulo算法：支持兩路超標(biāo)量q每個(gè)時(shí)鐘周期流出兩條指令；每個(gè)時(shí)鐘周期流出兩條指令；q一條是整數(shù)指令，另一條是浮點(diǎn)指令。一條是整數(shù)指令，另一條是浮點(diǎn)指令。1. 采用一種比較簡單的方法：指令按順

33、序流向保留站，否則會破壞程序語義。 將整數(shù)所用的表結(jié)構(gòu)與浮點(diǎn)用的表結(jié)構(gòu)分離開，分別進(jìn)行處理，這樣就可以同時(shí)地流出一條浮點(diǎn)指令和一條整數(shù)指令到各自的保留站。 4.4.2 基于動態(tài)調(diào)度的多流出技術(shù)9191/134/1344.4 多指令流出技術(shù)w有兩種不同的方法可以實(shí)現(xiàn)多流出。 關(guān)鍵在于：關(guān)鍵在于：對保留站的分配和對流水線控制表格的修改。對保留站的分配和對流水線控制表格的修改。在半個(gè)時(shí)鐘周期里完成流出步驟，這樣一個(gè)時(shí)鐘周期就能處理兩條指令。設(shè)置一次能同時(shí)處理兩條指令的邏輯電路。 現(xiàn)代的流出現(xiàn)代的流出4 4條或條或4 4條以上指令的超標(biāo)量處理機(jī)條以上指令的超標(biāo)量處理機(jī)經(jīng)常是兩種方法都采用。經(jīng)常是兩種方

34、法都采用。 9292/134/1344.4 多指令流出技術(shù) 例例4.44.4 對于采用了對于采用了TomasuloTomasulo算法和多流出技術(shù)的算法和多流出技術(shù)的MIPSMIPS流水線，流水線，考慮以下簡單循環(huán)的執(zhí)行。該程序把考慮以下簡單循環(huán)的執(zhí)行。該程序把F2F2中的標(biāo)量加到一個(gè)向量的中的標(biāo)量加到一個(gè)向量的每個(gè)元素上。每個(gè)元素上。 Loop: L.D Loop: L.D F0, 0F0, 0（R1R1） / / 取一個(gè)數(shù)組元素放入取一個(gè)數(shù)組元素放入F0F0 ADD.D ADD.D F4, F0, F2 F4, F0, F2 / / 加上在加上在F2F2中的標(biāo)量中的標(biāo)量 S.D S.D F

35、4, 0F4, 0（R1R1） / / 存結(jié)果存結(jié)果 DADDIU R1,R1DADDIU R1,R1，#-8#-8 / / 將指針減少將指針減少8 8（每個(gè)數(shù)據(jù)占（每個(gè)數(shù)據(jù)占8 8個(gè)字節(jié)）個(gè)字節(jié)） BNE R1,R2,LoopBNE R1,R2,Loop / / 若若R1R1不等于不等于R2R2，表示尚未結(jié)束，轉(zhuǎn)移到，表示尚未結(jié)束，轉(zhuǎn)移到LoopLoop繼續(xù)繼續(xù) 9393/134/1344.4 多指令流出技術(shù)現(xiàn)做以下假設(shè)：q每個(gè)時(shí)鐘周期能流出一條整數(shù)指令和一條浮點(diǎn)指令，每個(gè)時(shí)鐘周期能流出一條整數(shù)指令和一條浮點(diǎn)指令，即使它們相關(guān)也是如此。即使它們相關(guān)也是如此。q有一個(gè)整數(shù)部件，用于整數(shù)有一個(gè)整

36、數(shù)部件，用于整數(shù)ALUALU運(yùn)算和地址計(jì)算；并運(yùn)算和地址計(jì)算；并且對于每一種浮點(diǎn)操作類型都有一個(gè)獨(dú)立的流水化了且對于每一種浮點(diǎn)操作類型都有一個(gè)獨(dú)立的流水化了的浮點(diǎn)功能部件。的浮點(diǎn)功能部件。q指令流出和寫結(jié)果各占用一個(gè)時(shí)鐘周期。指令流出和寫結(jié)果各占用一個(gè)時(shí)鐘周期。q具有動態(tài)分支預(yù)測部件和一個(gè)獨(dú)立的計(jì)算分支條件的具有動態(tài)分支預(yù)測部件和一個(gè)獨(dú)立的計(jì)算分支條件的功能部件。功能部件。q分支指令單獨(dú)流出，沒有采用延遲分支，但分支預(yù)測分支指令單獨(dú)流出，沒有采用延遲分支，但分支預(yù)測是完美的。分支指令完成前，其后續(xù)指令只能被取出是完美的。分支指令完成前，其后續(xù)指令只能被取出和流出，但不能執(zhí)行。和流出，但不能執(zhí)行

37、。9494/134/1344.4 多指令流出技術(shù)q因?yàn)閷懡Y(jié)果占用一個(gè)時(shí)鐘周期，所以產(chǎn)生結(jié)果的延遲因?yàn)閷懡Y(jié)果占用一個(gè)時(shí)鐘周期，所以產(chǎn)生結(jié)果的延遲為：整數(shù)運(yùn)算一個(gè)周期，為：整數(shù)運(yùn)算一個(gè)周期，loadload兩個(gè)周期，浮點(diǎn)加法運(yùn)兩個(gè)周期，浮點(diǎn)加法運(yùn)算算3 3個(gè)周期。個(gè)周期。 列出該程序前面列出該程序前面3 3遍循環(huán)中各條指令的流出、開始執(zhí)行和將結(jié)果遍循環(huán)中各條指令的流出、開始執(zhí)行和將結(jié)果寫到寫到CDBCDB上的時(shí)間。上的時(shí)間。 解解 執(zhí)行時(shí)，該循環(huán)將動態(tài)展開，并且只要可能就流出兩條指令。執(zhí)行時(shí)，該循環(huán)將動態(tài)展開，并且只要可能就流出兩條指令。 為了便于分析，表中列出了訪存發(fā)生的時(shí)刻。運(yùn)行結(jié)果如下圖為了

38、便于分析，表中列出了訪存發(fā)生的時(shí)刻。運(yùn)行結(jié)果如下圖所示。所示。 遍數(shù)遍數(shù) 指指 令令 流出流出 執(zhí)行執(zhí)行 訪存訪存 寫寫CDB CDB 說明說明 1 1L.D F0,0L.D F0,0（R1R1） 1 12 23 34 4流出第一條指令流出第一條指令 1 1ADD.D F4,F0,F2 ADD.D F4,F0,F2 1 15 58 8等待等待L.DL.D的結(jié)果的結(jié)果 1 1S.D F4,0S.D F4,0（R1R1） 2 23 39 9等待等待ADD.DADD.D的結(jié)果的結(jié)果 1 1DADDIU R1,R1,#-8 DADDIU R1,R1,#-8 2 24 45 5等待等待ALUALU1 1

39、BNE R1,R2,Loop BNE R1,R2,Loop 3 36 6等待等待DADDIUDADDIU的結(jié)果的結(jié)果 2 2L.D F0,0L.D F0,0（R1R1） 4 47 78 89 9等待等待BNEBNE完成完成 2 2ADD.D F4,F0,F2 ADD.D F4,F0,F2 4 410101313等待等待L.DL.D的結(jié)果的結(jié)果 2 2S.D F4,0S.D F4,0（R1R1） 5 58 81414等待等待ADD.DADD.D的結(jié)果的結(jié)果 2 2DADDIU R1,R1,#-8 DADDIU R1,R1,#-8 5 59 91010等待等待ALU ALU 2 2BNE R1,R

40、2,LoopBNE R1,R2,Loop6 61111等待等待DADDIUDADDIU的結(jié)果的結(jié)果 3 3L.D F0,0L.D F0,0（R1R1） 7 7121213131414等待等待BNEBNE完成完成 3 3ADD.D F4,F0,F2 ADD.D F4,F0,F2 7 715151818等待等待L.DL.D的結(jié)果的結(jié)果 3 3S.D F4,0S.D F4,0（R1R1） 8 813131919等待等待ADD.DADD.D的結(jié)果的結(jié)果 3 3DADDIU R1,R1,#-8 DADDIU R1,R1,#-8 8 814141515等待等待ALU ALU 3 3BNE R1,R2,Lo

41、opBNE R1,R2,Loop9 91616等待等待DADDIUDADDIU的結(jié)果的結(jié)果 9696/134/1344.4 多指令流出技術(shù)從圖中可以看出：程序基本可以達(dá)到3拍流出5條指令 IPCIPC5/35/31.67 1.67 條條/ /拍拍雖然指令的流出率比較高，但是執(zhí)行效率并不是很高。q1616拍共執(zhí)行拍共執(zhí)行1515條指令，條指令，q平均指令執(zhí)行速度為平均指令執(zhí)行速度為15/1615/160.94 0.94 條條/ /拍。拍。原因是浮點(diǎn)運(yùn)算少，ALU部件成了瓶頸。 解決方法：增加一個(gè)加法器，把ALU功能和地址運(yùn)算功能分開。 9797/134/1344.4 多指令流出技術(shù)w上述雙流出動

42、態(tài)調(diào)度流水線的性能受限于以下3個(gè)因素：整數(shù)部件和浮點(diǎn)部件的工作負(fù)載不平衡，沒有充分發(fā)揮出浮點(diǎn)部件的作用。 應(yīng)該設(shè)法減少循環(huán)中整數(shù)型指令的數(shù)量。應(yīng)該設(shè)法減少循環(huán)中整數(shù)型指令的數(shù)量。每個(gè)循環(huán)迭代中的控制開銷太大。q5 5條指令中有兩條指令是輔助指令。條指令中有兩條指令是輔助指令。q應(yīng)該設(shè)法減少或消除這些指令。應(yīng)該設(shè)法減少或消除這些指令。控制相關(guān)使得處理機(jī)必須等到分支指令的結(jié)果出來后才能開始下一條L.D指令的執(zhí)行。 9898/134/1344.4 多指令流出技術(shù)1. 把能并行執(zhí)行的多條指令組裝成一條很長的指令。（100100多位到幾百位）多位到幾百位）2. 設(shè)置多個(gè)功能部件。3. 指令字被分割成一些

43、字段，每個(gè)字段稱為一個(gè)操作槽，直接獨(dú)立地控制一個(gè)功能部件。4. 在VLIW處理機(jī)中，所有的處理和指令安排都是由編譯器完成的。 4.4.3 超長指令字技術(shù)（VLIW）9999/134/134 例例4.54.5 假設(shè)假設(shè)VLIWVLIW處理機(jī)每個(gè)時(shí)鐘周期可同時(shí)流出處理機(jī)每個(gè)時(shí)鐘周期可同時(shí)流出5 5條條指令：指令：兩兩條條訪存指令、訪存指令、兩條兩條浮點(diǎn)操作指令和浮點(diǎn)操作指令和一條一條整數(shù)指令或分支指令。對于整數(shù)指令或分支指令。對于例例4.44.4中的循環(huán)展開后的代碼，給出它在該中的循環(huán)展開后的代碼，給出它在該VLIWVLIW中的代碼序列。不考中的代碼序列。不考慮分支指令的延遲槽。慮分支指令的延遲槽

44、。 解解 代碼序列如下圖所示。代碼序列如下圖所示。運(yùn)行時(shí)間為運(yùn)行時(shí)間為8 8個(gè)個(gè)時(shí)鐘周期。時(shí)鐘周期。每遍循環(huán)平均每遍循環(huán)平均1.61.6個(gè)個(gè)時(shí)鐘周期。時(shí)鐘周期。8 8個(gè)個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)流出了時(shí)鐘周期內(nèi)流出了1717條指令，每個(gè)時(shí)鐘周期條指令，每個(gè)時(shí)鐘周期2.12.1條。條。8 8個(gè)個(gè)時(shí)鐘周期共有操作槽時(shí)鐘周期共有操作槽8 8 5=405=40個(gè)，有效槽的比例為個(gè)，有效槽的比例為42.5%42.5%。 4.4 多指令流出技術(shù)100100/134/1344.4 多指令流出技術(shù)訪存指令訪存指令1 1 訪存指令訪存指令2 2 浮點(diǎn)指令浮點(diǎn)指令1 1 浮點(diǎn)指令浮點(diǎn)指令2 2 整數(shù)整數(shù)/ /轉(zhuǎn)移指令轉(zhuǎn)移指令

45、L.D F0,0(R1)L.D F0,0(R1)L.D F6,-8(R1)L.D F6,-8(R1)L.D F10,-16(R1)L.D F10,-16(R1)L.D F14,-24(R1)L.D F14,-24(R1)L.D F18,-32(R1)L.D F18,-32(R1)ADD.D F4,F0,F2ADD.D F4,F0,F2ADD.DF8,F6,F2ADD.DF8,F6,F2ADD.DF12,F10,F2ADD.DF12,F10,F2ADD.DF16,F14,F2ADD.DF16,F14,F2ADD.DF20,F18,F2ADD.DF20,F18,F2S.D F4,0(R1)S.D

46、F4,0(R1)S.D F8,-8(R1)S.D F8,-8(R1)S.D F12,-16(R1)S.D F12,-16(R1)S.D F16,24(R1)S.D F16,24(R1)DADDIUR1,R1,#-40DADDIUR1,R1,#-40S.D F20,8(R1)S.D F20,8(R1)BNE R1,R2,LoopBNE R1,R2,Loop101101/134/1344.4 多指令流出技術(shù)wVLIW存在的一些問題 程序代碼長度增加了q提高并行性而進(jìn)行的大量的循環(huán)展開。提高并行性而進(jìn)行的大量的循環(huán)展開。q指令字中的操作槽并非總能填滿。指令字中的操作槽并非總能填滿。 解決：解決：采用

47、指令共享立即數(shù)字段的方法，或者采用指采用指令共享立即數(shù)字段的方法，或者采用指 令壓縮存儲、調(diào)入令壓縮存儲、調(diào)入CacheCache或譯碼時(shí)展開的方法。或譯碼時(shí)展開的方法。采用了鎖步機(jī)制 任何一個(gè)操作部件出現(xiàn)停頓時(shí)，整個(gè)處理機(jī)都要停頓。任何一個(gè)操作部件出現(xiàn)停頓時(shí)，整個(gè)處理機(jī)都要停頓。機(jī)器代碼的不兼容性102102/134/1344.4 多指令流出技術(shù)指令多流出處理器受哪些因素的限制呢？ 主要受以下三個(gè)方面的影響：q程序所固有的指令級并行性。程序所固有的指令級并行性。q硬件實(shí)現(xiàn)上的困難。硬件實(shí)現(xiàn)上的困難。q超標(biāo)量和超長指令字處理器固有的技術(shù)限制。超標(biāo)量和超長指令字處理器固有的技術(shù)限制。4.4.4

48、多流出處理器受到的限制103103/134/1344.4 多指令流出技術(shù)1. 將每個(gè)流水段進(jìn)一步細(xì)分，這樣在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)能夠分時(shí)流出多條指令。這種處理機(jī)稱為超流水線處理機(jī)。2. 對于一臺每個(gè)時(shí)鐘周期能流出n條指令的超流水線計(jì)算機(jī)來說，這n條指令不是同時(shí)流出的，而是每隔1/n個(gè)時(shí)鐘周期流出一條指令。實(shí)際上該超流水線計(jì)算機(jī)的流水線周期為1/n個(gè)時(shí)鐘周期。 3. 一臺每個(gè)時(shí)鐘周期分時(shí)流出兩條指令的超流水線計(jì)算機(jī)的時(shí)空圖。 4.4.5 超流水線處理機(jī)104104/134/1344.4 多指令流出技術(shù) IF IF IF IF WBMEM ID EX IF 1 2 3 4 5 6 7 時(shí)鐘周期時(shí)鐘周期

49、指令指令 I1 I2 I3 ID EX MEM WBI6 I5 I4 I7 ID EX MEM WBIF ID EX MEM WBID EX MEM WBIF ID EX MEM WBID EX MEM WB105105/134/1344.4 多指令流出技術(shù)w在有的資料上，把指令流水線級數(shù)為8或8以上的流水線處理機(jī)稱為超流水線處理機(jī)。w典型的超流水線處理器：SGI公司的MIPS系列R4000R4000微處理器芯片內(nèi)有2個(gè)Cache：q指令指令CacheCache和數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)CacheCacheq容量都是容量都是8 KB8 KBq每個(gè)每個(gè)CacheCache的數(shù)據(jù)寬度為的數(shù)據(jù)寬度為64 64 b

50、 b R4000的核心處理部件：整數(shù)部件 q一個(gè)一個(gè)32323232位的通用寄存器組位的通用寄存器組q一個(gè)算術(shù)邏輯部件一個(gè)算術(shù)邏輯部件（ALUALU）q一個(gè)專用的乘法一個(gè)專用的乘法/ /除法部件除法部件 106106/134/1344.4 多指令流出技術(shù)浮點(diǎn)部件q一個(gè)執(zhí)行部件一個(gè)執(zhí)行部件n浮點(diǎn)乘法部件浮點(diǎn)乘法部件n浮點(diǎn)除法部件浮點(diǎn)除法部件n浮點(diǎn)加法浮點(diǎn)加法/轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換/求平方根部件求平方根部件 （它們可以并行工作）（它們可以并行工作）q一個(gè)一個(gè)16166464位的浮點(diǎn)通用寄存器組。浮點(diǎn)通用寄存器位的浮點(diǎn)通用寄存器組。浮點(diǎn)通用寄存器組也可以設(shè)置成組也可以設(shè)置成3232個(gè)個(gè)3232位的浮點(diǎn)寄存器。位

51、的浮點(diǎn)寄存器。R4000的指令流水線有8級107107/134/1344.4 多指令流出技術(shù)108108/134/1344.4 多指令流出技術(shù)各級的功能qIFIF：取指令的前半步，根據(jù)取指令的前半步，根據(jù)PCPC值去啟動對指令值去啟動對指令CacheCache的訪問。的訪問。qISIS：取指令的后半步，在這一級完成對指令取指令的后半步，在這一級完成對指令CacheCache的訪問。的訪問。qRFRF：指令譯碼，訪問寄存器組讀取操作數(shù)，沖突檢測，并判指令譯碼，訪問寄存器組讀取操作數(shù)，沖突檢測，并判斷指令斷指令CacheCache是否命中。是否命中。qEXEX：指令執(zhí)行。包括有效地址計(jì)算，：指令執(zhí)

52、行。包括有效地址計(jì)算，ALUALU操作，分支目標(biāo)地操作，分支目標(biāo)地址計(jì)算，條件碼測試。址計(jì)算，條件碼測試。qDFDF：取數(shù)據(jù)的前半步，啟動對數(shù)據(jù)取數(shù)據(jù)的前半步，啟動對數(shù)據(jù)CacheCache的訪問。的訪問。qDSDS：取數(shù)據(jù)的后半步，在這一級完成對數(shù)據(jù)取數(shù)據(jù)的后半步，在這一級完成對數(shù)據(jù)CacheCache的訪問。的訪問。qTCTC：標(biāo)識比較，判斷對數(shù)據(jù)標(biāo)識比較，判斷對數(shù)據(jù)CacheCache的訪問是否命中。的訪問是否命中。qWBWB：loadload指令或運(yùn)算型指令把結(jié)果寫回寄存器組。指令或運(yùn)算型指令把結(jié)果寫回寄存器組。 109109/134/1344.4 多指令流出技術(shù)MIPS R4000指

53、令流水線時(shí)空圖 WB WB 時(shí)鐘周期時(shí)鐘周期 IF IS RF EX DF DS TC IF IS RF EX DF DS WB IF IS RF EX DF TC WB IF IS RF EX DS TC WB IF IS RF DF DS TC WB IF IS EX DF DS TC IF RF EX DF DS TC WB IS RF EX DF DS TC 周期周期 流水流水 線線 當(dāng)前當(dāng)前 CPU 周期周期 WB TC DS DF EX RF IS IF 載入延遲為兩個(gè)時(shí)鐘周期 Reg ALU Reg 指令指令 Cache 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)Cache 時(shí)鐘周期時(shí)鐘周期 1 2 3 4 5

54、6 7 8 9 10 11 LD R1 指令指令 1 指令指令 2 Reg ALU Reg 指令指令 Cache 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)Cache Reg ALU Reg 指令指令 Cache 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)Cache Reg ALU Reg 指令指令 Cache 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)Cache ADDD R2 , R1 111111/134/1341. 充分開發(fā)指令之間存在的并行性，找出不相關(guān)的指令序列，讓它們在流水線上重疊并行執(zhí)行。 2. 增加指令間并行性最簡單和最常用的方法開發(fā)循環(huán)級并行性循環(huán)的不同迭代之間存在的并行性。在把循環(huán)展開后，通過重命名和指令調(diào)度來開發(fā)更多的并行性。 4.5 循環(huán)展開和指令調(diào)度4.5.1 循環(huán)

55、展開和指令調(diào)度的基本方法112112/134/1344.5 循環(huán)展開和指令調(diào)度w編譯器完成這種指令調(diào)度的能力受限于兩個(gè)特性：程序固有的指令級并行性；流水線功能部件的執(zhí)行延遲。w本節(jié)中，我們使用的浮點(diǎn)流水線延遲為： 產(chǎn)生結(jié)果的指令 使用結(jié)果的指令 延遲（時(shí)鐘周期數(shù)） 浮點(diǎn)計(jì)算 另一個(gè)浮點(diǎn)計(jì)算 3 浮點(diǎn)計(jì)算 浮點(diǎn)store（S.D） 2 浮點(diǎn)load（L.D） 浮點(diǎn)計(jì)算 1 浮點(diǎn)load（L.D） 浮點(diǎn)store（S.D） 0 113113/134/1344.5 循環(huán)展開和指令調(diào)度假設(shè)采用第3章的5段整數(shù)流水線：分支的延遲：1個(gè)時(shí)鐘周期。整數(shù)load指令的延遲：1個(gè)時(shí)鐘周期。整數(shù)運(yùn)算部件是全流水或

56、者重復(fù)設(shè)置了足夠的份數(shù)。 114114/134/1344.5 循環(huán)展開和指令調(diào)度 例例4.64.6 對于下面的源代碼，轉(zhuǎn)換成對于下面的源代碼，轉(zhuǎn)換成MIPSMIPS匯編語言，匯編語言，在在不進(jìn)行指令調(diào)度不進(jìn)行指令調(diào)度和和進(jìn)行指令調(diào)度進(jìn)行指令調(diào)度兩種情況下，分析其兩種情況下，分析其代碼一次循環(huán)所需的執(zhí)行時(shí)間。代碼一次循環(huán)所需的執(zhí)行時(shí)間。 for (i=1for (i=1； i=1000i=1000； i+)i+) xi = xi + s xi = xi + s；解解 把該程序翻譯成把該程序翻譯成MIPSMIPS匯編語言代碼：匯編語言代碼：假設(shè)假設(shè)R1R1的初值是指向第一個(gè)元素，的初值是指向第一個(gè)

57、元素，8 8（R2R2）指向最后一個(gè)元素。指向最后一個(gè)元素。115115/134/1344.5 循環(huán)展開和指令調(diào)度LoopLoop：L.DL.D F0F0,0,0（R1R1） ADD.DADD.D F4F4, ,F0F0,F2,F2 S.D S.D F4F4, 0, 0（R1R1） DADDIU DADDIU R1R1,R1,R1，#-8#-8 BNE BNE R1R1,R2,Loop,R2,Loop其中：p整數(shù)寄存器整數(shù)寄存器R1R1：指向向量中的當(dāng)前元素。指向向量中的當(dāng)前元素。 （初值為向量中最高端元素的地址）（初值為向量中最高端元素的地址）p浮點(diǎn)寄存器浮點(diǎn)寄存器F2F2：用于保存常數(shù)用于

58、保存常數(shù)s s。 116116/134/1344.5 循環(huán)展開和指令調(diào)度不進(jìn)行指令調(diào)度的情況下，程序的實(shí)際執(zhí)行情況： 指令流出時(shí)鐘指令流出時(shí)鐘 Loop: L.DLoop: L.D F0F0,0,0（R1R1） 1 1 （空轉(zhuǎn)）（空轉(zhuǎn)） 2 2 ADD.D ADD.D F4F4, ,F0F0,F2 ,F2 3 3 （空轉(zhuǎn)）空轉(zhuǎn)） 4 4 （空轉(zhuǎn)）（空轉(zhuǎn)） 5 5 S.D S.D F4F4, 0, 0（R1R1） 6 6 DADDIU DADDIU R1R1,R1,R1，# -8 # -8 7 7 （空轉(zhuǎn)）（空轉(zhuǎn)） 8 8 BNE BNE R1R1,R2,Loop ,R2,Loop 9 9 （空

59、轉(zhuǎn)）（空轉(zhuǎn)） 1010 每個(gè)元素的操作需要每個(gè)元素的操作需要1010個(gè)個(gè)時(shí)鐘周期，其中時(shí)鐘周期，其中5 5個(gè)個(gè)是空轉(zhuǎn)周期。是空轉(zhuǎn)周期。117117/134/1344.5 循環(huán)展開和指令調(diào)度指令調(diào)度以后，程序的執(zhí)行情況如下：q把把DADDIUDADDIU指令調(diào)度到了指令調(diào)度到了L.DL.D指令和指令和ADD.DADD.D指令之間的指令之間的“空轉(zhuǎn)空轉(zhuǎn)”拍。拍。q把把S.DS.D指令放到了分支指令的延遲槽中。指令放到了分支指令的延遲槽中。q對存儲器地址偏移量進(jìn)行調(diào)整。對存儲器地址偏移量進(jìn)行調(diào)整。 118118/134/1344.5 循環(huán)展開和指令調(diào)度 Loop: L.DLoop: L.D F0F0

60、,0,0（R1R1） （空轉(zhuǎn)）（空轉(zhuǎn)） ADD.DADD.D F4F4, ,F0F0,F2 ,F2 （空轉(zhuǎn)）空轉(zhuǎn)） （空轉(zhuǎn)）（空轉(zhuǎn)） S.DS.D F4F4, 0, 0（R1R1） DADDIU DADDIU R1R1,R1,#-8 ,R1,#-8 （空轉(zhuǎn)）（空轉(zhuǎn)） BNEBNE R1R1,R2,Loop ,R2,Loop （空轉(zhuǎn)）（空轉(zhuǎn)）Loop: L.D F0, 0(R1)Loop: L.D F0, 0(R1) DADDIU R1,R1,#-8DADDIU R1,R1,#-8 ADD.D F4, F0, F2 ADD.D F4, F0, F2 （空轉(zhuǎn)）（空轉(zhuǎn)） BNE R1,R2,Loop