計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)課件 第9章 流水線(xiàn)技術(shù)

第9章流水線(xiàn)技術(shù)第9章流水線(xiàn)技術(shù)9.1

流水線(xiàn)的工作原理9.2流水線(xiàn)的相關(guān)問(wèn)題及其處理9.3流水線(xiàn)的沖突問(wèn)題及其處理（自學(xué)）9.4向量的流水處理機(jī)（自學(xué)）9.5超標(biāo)題流水處理機(jī)（自學(xué)）9.1流水線(xiàn)的工作原理9.1.1指令解釋的一次重疊方式取指令是根據(jù)指令計(jì)數(shù)器PC的內(nèi)容訪(fǎng)主存，將指令送入指令寄存器IR的過(guò)程取指令分析執(zhí)行t分析指令是對(duì)指令的操作碼進(jìn)行譯碼，按尋址方式和地址字段形成操作數(shù)的有效地址，并根據(jù)該地址取得操作數(shù)的過(guò)程。執(zhí)行指令是對(duì)操作數(shù)進(jìn)行運(yùn)算、處理或存儲(chǔ)的過(guò)程。指令的順序解釋與重疊解釋優(yōu)點(diǎn)：控制簡(jiǎn)單；缺點(diǎn)：速度低，硬件利用率低優(yōu)點(diǎn)：雖然單條指令的執(zhí)行速度并沒(méi)有提高，但硬件利用率提高；缺點(diǎn)：控制復(fù)雜重疊分析k和取指k+1的實(shí)現(xiàn)方法方法1：讓操作數(shù)和指令分別存放在兩個(gè)獨(dú)立編址且可同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)的存儲(chǔ)器中。方法2：指令和操作數(shù)混存，但采用多體交叉主存結(jié)構(gòu)，保證相鄰兩條指令不同在一個(gè)存儲(chǔ)體中。方法3：增設(shè)指令隊(duì)列（即指令緩沖器），實(shí)現(xiàn)指令預(yù)取。重疊執(zhí)行k和分析k+1的實(shí)現(xiàn)方法1.硬件部件設(shè)置獨(dú)立的指令分析部件和指令執(zhí)行部件，分析部件擁有單獨(dú)的地址加法器用于地址計(jì)算，執(zhí)行部件擁有單獨(dú)的加法器實(shí)現(xiàn)算邏運(yùn)算。2.同步控制由于“分析”和“執(zhí)行”所需時(shí)間不同，因此必須保證同步一次重疊工作方式指令分析部件和指令執(zhí)行部件任何時(shí)候都只有相鄰兩條指令在重疊解釋的方式稱(chēng)為“一次重疊”。其優(yōu)點(diǎn)：控制簡(jiǎn)單，節(jié)省硬件當(dāng)?shù)趉條指令是條件轉(zhuǎn)移時(shí)在重疊方式下的條件轉(zhuǎn)移引發(fā)的問(wèn)題9.1.2指令解釋的流水方式1.什么是流水線(xiàn)？9.1.2指令解釋的流水方式流水處理2.流水線(xiàn)中的時(shí)空?qǐng)D3.流水和重疊的區(qū)別“一次重疊”把指令的解釋過(guò)程分解成“分析”和“執(zhí)行”兩個(gè)子過(guò)程，流水則分成更多個(gè)子過(guò)程?！耙淮沃丿B”同時(shí)解釋兩條指令，流水可同時(shí)解釋多條指令。流水每個(gè)子過(guò)程經(jīng)過(guò)的時(shí)間Δt越小，流水線(xiàn)的最大吞吐率就越高9.1.3流水線(xiàn)的分類(lèi)處理機(jī)間的流水處理部件級(jí)處理機(jī)級(jí)系統(tǒng)級(jí)單功能流水線(xiàn)：只能實(shí)現(xiàn)單一功能的流水。多功能流水線(xiàn)：同一流水線(xiàn)的各個(gè)段之間有多種不同的聯(lián)接方式，以實(shí)現(xiàn)多種不同功能。ASC機(jī)運(yùn)算器的流水線(xiàn)靜態(tài)流水線(xiàn)：在某一時(shí)間內(nèi)各段只能按一種功能連接流水，只有等流水線(xiàn)全部完成后，才能切換成按另一種功能流水。動(dòng)態(tài)流水線(xiàn)：在同一段時(shí)間內(nèi)，多功能流水線(xiàn)中的各段可以按照不同方式連接，同時(shí)執(zhí)行多種功能。這種同時(shí)實(shí)現(xiàn)多種連接方式是有條件的，即流水線(xiàn)中的各個(gè)功能部件之間不能發(fā)生沖突非線(xiàn)性流水線(xiàn)舉例線(xiàn)性流水：流水線(xiàn)各段串行聯(lián)接，各段只經(jīng)過(guò)一次，沒(méi)有反饋回路。非線(xiàn)性流水：流水線(xiàn)中存在反饋回路，使任務(wù)流水線(xiàn)需多次經(jīng)過(guò)某個(gè)段或越過(guò)某個(gè)段。9.1.4流水線(xiàn)處理機(jī)的主要性能吞吐率吞吐率是流水線(xiàn)單位時(shí)間里能流出的任務(wù)數(shù)或結(jié)果數(shù)。各個(gè)子過(guò)程經(jīng)過(guò)的時(shí)間都是Δt2，滿(mǎn)負(fù)荷后，流水線(xiàn)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(guò)程進(jìn)行的工作不相同，所經(jīng)過(guò)的時(shí)間也就不一定相同。顯然，同步時(shí)鐘脈沖周期直接影響流水線(xiàn)的最大吞吐率，總希望它越小越好。如果各個(gè)子過(guò)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(xiàn)的最大吞吐率

它受限于流水線(xiàn)中最慢子過(guò)程所需要的時(shí)間。稱(chēng)流水線(xiàn)中經(jīng)過(guò)時(shí)間最長(zhǎng)的子過(guò)程為瓶頸子過(guò)程。最大吞吐率取決于瓶頸段的時(shí)間瓶頸子過(guò)程再細(xì)分消除瓶頸的一種方法就是將瓶頸子過(guò)程再細(xì)分。瓶頸子過(guò)程并聯(lián)消除瓶頸的第二種方法就是將通過(guò)重復(fù)設(shè)置多套瓶頸段并聯(lián)，讓它們交叉并行。此方法適合子過(guò)程不能細(xì)分的場(chǎng)合。缺點(diǎn)是控制復(fù)雜，需要更多的設(shè)備。

設(shè)一m段流水線(xiàn)的各段經(jīng)過(guò)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。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(xiàn)的實(shí)際吞吐率從時(shí)—空?qǐng)D分析實(shí)際的吞吐率

2.效率

流水線(xiàn)的效率是指流水線(xiàn)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(chēng)流水線(xiàn)設(shè)備的時(shí)間利用率。由于流水線(xiàn)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(mǎn)負(fù)荷工作的。如果是線(xiàn)性流水線(xiàn)，且各段經(jīng)過(guò)時(shí)間相同，則在T時(shí)間里，流水線(xiàn)各段的效率都相同，均為η0，即整個(gè)流水線(xiàn)的效率式中，分母m·T是時(shí)—空?qǐng)D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?qǐng)D中n個(gè)任務(wù)實(shí)際占用的總面積。因此，從時(shí)—空?qǐng)D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(lèi)似，只有當(dāng)n>>m時(shí)，η才趨近于1。同時(shí)還可看出，對(duì)于線(xiàn)性流水且每段經(jīng)過(guò)時(shí)間相等時(shí)，流水線(xiàn)的效率是正比于吞吐率的，即

對(duì)于復(fù)雜的非線(xiàn)性流水線(xiàn)，實(shí)際的吞吐率TP和效率η需要通過(guò)畫(huà)出實(shí)際工作時(shí)的時(shí)—空?qǐng)D，才能分別用下列兩個(gè)式子求得：圖5.23流水線(xiàn)工作舉例3.流水線(xiàn)工作舉例設(shè)A和B向量各有4個(gè)元素，計(jì)算A·B=

加法流水乘法流水實(shí)際吞吐率=7/(15Δt)效率=24

Δt

/(5×15Δt)=32%9.2流水線(xiàn)的相關(guān)問(wèn)題及其處理1.指令相關(guān)①如果規(guī)定在程序運(yùn)行過(guò)程中不準(zhǔn)修改指令，指令相關(guān)就不可能發(fā)生。不準(zhǔn)修改指令還可以實(shí)現(xiàn)程序的可再入和程序的遞歸調(diào)用。②為滿(mǎn)足程序設(shè)計(jì)靈活性的需要，在程序運(yùn)行過(guò)程中有時(shí)希望修改指令，這時(shí)可設(shè)置一條“執(zhí)行”指令來(lái)解決。IBM370“執(zhí)行”指令的執(zhí)行被修改的指令以“執(zhí)行”指令的操作數(shù)形式出現(xiàn)，從而將指令相關(guān)轉(zhuǎn)化成數(shù)相關(guān)。2.主存相關(guān)主存數(shù)相關(guān)的處理主存空間數(shù)相關(guān)是指相鄰兩條指令之間出現(xiàn)對(duì)主存同一單元要求先寫(xiě)后讀的關(guān)聯(lián)。解決方法：由存控給讀數(shù)和寫(xiě)數(shù)申請(qǐng)安排不同的訪(fǎng)存優(yōu)先級(jí)，推后讀數(shù)操作。

3.通用寄存器組相關(guān)的處理設(shè)機(jī)器的基本指令格式為操作碼L1L3B2d2或操作碼L1L3L2L1、L2、L3是第1、2個(gè)操作數(shù)和結(jié)果數(shù)的通用寄存器號(hào)。B2是基址值所在的通用寄存器號(hào)，d2是相對(duì)位移量。指令解釋過(guò)程中與通用寄存器內(nèi)容有關(guān)的微操作時(shí)間關(guān)系“執(zhí)行k”、“分析k+1”重疊時(shí)，訪(fǎng)問(wèn)通用寄存器組的時(shí)間關(guān)系用相關(guān)專(zhuān)用通路解決通用寄存器組的數(shù)相關(guān)9.2.3非線(xiàn)性流水線(xiàn)的調(diào)度1.非線(xiàn)性流水線(xiàn)的表示使用各流水段之間的連接圖和一張預(yù)約表預(yù)約表例9-4本章總結(jié)流水線(xiàn)技術(shù)在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)