流水線工作原理-副本1

引

言加快機(jī)器語言的解釋可以從兩方面實(shí)現(xiàn)。一是通過選用更高速的器件、采用更好的運(yùn)算方法、提高指令內(nèi)各微操作的并行程度、減少解釋過程所需要的拍數(shù)等措施加快每條機(jī)器指令的解釋。二是通過控制結(jié)構(gòu)同時(shí)解釋兩條、多條以至整段程序的方式加快整個(gè)機(jī)器語言程序的解釋重疊和流水是其中常用的解釋方式。1流水線

1.基本概念圖1指令分解為“取指”與“執(zhí)行”子過程

2圖2流水處理3指令的六級(jí)流水六級(jí)流水14個(gè)時(shí)間單位串行執(zhí)行6×9＝54時(shí)間單位完成一條指令6個(gè)時(shí)間單位COFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFI指令1指令2指令3指令4指令5指令6指令7指令8指令91234567891011121314t42.流水線處理機(jī)的主要性能指標(biāo)

a)吞吐率

吞吐率是流水線單位時(shí)間里能流出的任務(wù)數(shù)或結(jié)果數(shù)。在圖5的流水線例子中，各個(gè)子過程經(jīng)過的時(shí)間都是Δt2，滿負(fù)荷后，流水線每隔Δt2解釋完一條指令，其最大吞吐率TPmax為1/Δt2。實(shí)際上，各個(gè)子過程進(jìn)行的工作不相同，所經(jīng)過的時(shí)間也就不一定相同，所以前述在子過程間設(shè)置了接口鎖存器，讓各鎖存器都受同一時(shí)鐘脈沖同步。時(shí)鐘脈沖周期直接影響流水線的最大吞吐率，總希望它越小越好。如果各個(gè)子過程所需的時(shí)間分別為Δt1、Δt2、Δt3、Δt4，時(shí)鐘周期應(yīng)當(dāng)為max｛Δt1,Δt2,Δt3,Δt4｝，即流水線的最大吞吐率5它受限于流水線中最慢子過程所需要的時(shí)間。稱流水線中經(jīng)過時(shí)間最長的子過程為瓶頸子過程。6設(shè)一m段流水線的各段經(jīng)過時(shí)間均為Δt0，則第1條指令從流入到流出需要T0=mΔt0的流水建立時(shí)間，之后每隔Δt0就可以流出一條指令，其時(shí)—空圖如圖9所示(這里設(shè)m=4)。這樣，完成n個(gè)任務(wù)的解釋共需時(shí)間T=m·Δt0+(n-1)Δt0。在這段時(shí)間里，流水線的實(shí)際吞吐率7圖3從時(shí)—空圖分析實(shí)際的吞吐率8

b)加速比

不僅實(shí)際的吞吐率總是小于最大的吞吐率，而且只有當(dāng)n>>m時(shí)，才能使實(shí)際的吞吐率接近于理想的最大吞吐率。如果用加速比(SpeedupRatio,Sp)表示流水線方式相對非流水線順序串行方式速度提高的比值，那么，非流水線順序串行方式工作，連續(xù)完成n個(gè)任務(wù)需要n·m·Δt0的時(shí)間，因此，流水線方式工作的加速比

9

c)效率

流水線的效率是指流水線中的設(shè)備實(shí)際使用時(shí)間占整個(gè)運(yùn)行時(shí)間之比，也稱流水線設(shè)備的時(shí)間利用率。由于流水線存在有建立時(shí)間和排空時(shí)間(最后一個(gè)任務(wù)流入到流出的時(shí)間)，在連續(xù)完成n個(gè)任務(wù)的時(shí)間里，各段并不總是滿負(fù)荷工作的。如果是線性流水線，且各段經(jīng)過時(shí)間相同，如圖3那樣，則在T時(shí)間里，流水線各段的效率都相同，均為η0，即整個(gè)流水線的效率：10式中，分母m·T是時(shí)—空圖中m個(gè)段和流水總時(shí)間T所圍成的總面積，分子m·nΔt0則是時(shí)—空圖中n個(gè)任務(wù)實(shí)際占用的總面積。因此，從時(shí)—空圖上看，效率實(shí)際上就是n個(gè)任務(wù)占用的時(shí)—空區(qū)面積和m個(gè)段總的時(shí)—空區(qū)面積之比。顯然，與吞吐率類似，只有當(dāng)n>>m時(shí)，η才趨近于1。同時(shí)還可看出，對于線性流水且每段經(jīng)過時(shí)間相等時(shí)，流水線的效率是正比于吞吐率的，即113.流水處理的相關(guān)性

流水線不能連續(xù)工作的原因，除了編譯形成的程序不能發(fā)揮流水線的作用或存儲(chǔ)器供應(yīng)不上為連續(xù)流動(dòng)所需的指令和數(shù)據(jù)以外，還因?yàn)槌霈F(xiàn)了“相關(guān)”情況或遇到了程序轉(zhuǎn)移指令。有時(shí)避免不了產(chǎn)生不能連續(xù)工作的情況，這種現(xiàn)象稱為流水線阻塞或產(chǎn)生了“氣泡”。12在一個(gè)程序中，如果必須等前一條指令執(zhí)行完畢后，才能執(zhí)行后一條指令，那么這兩條指令就是數(shù)據(jù)相關(guān)的。在流水計(jì)算機(jī)中，指令的處理是重疊進(jìn)行的，前一條指令還沒有結(jié)束，第二、三條指令就陸續(xù)地開始工作。由于多條指令的重疊處理，當(dāng)后繼指令所需的操作數(shù)，剛好是前一指令的運(yùn)算結(jié)果時(shí)，便發(fā)生數(shù)據(jù)相關(guān)沖突。134.程序轉(zhuǎn)移對流水線的影響

猜測法：

圖10用猜測法處理?xiàng)l件轉(zhuǎn)移