計算機系統(tǒng)結構（第15講）-文庫吧
2025-07-17 14:04 本頁面
【正文】 非線性流水線必須用流水線連接圖流水線預約表等共同表示 S1 輸入 S2 S3 輸出 前饋回路 反饋回路 一種簡單的非線性流水線 計算機系統(tǒng)結構 （第 17講） 按照流水線的級別來分 處理機級流水線 , 又稱為指令流水線 (Instruction Pipelining) 例如：在采用先行控制器的處理機中，各功能部件之間的流水線 先行指令 緩沖棧 輸入 先行控制方式 中的指令流水線 先行指令 分析器 先行讀數(shù)棧 先行操作棧 取指 譯碼 取操作數(shù) 指令執(zhí) 行部件 后行 寫數(shù)棧 輸出 執(zhí)行 寫結果 部件級流水線 （操作流水線），如浮點加法器流水線 處理機之間的流水線稱為 宏流水線 (Macro Pipelining) 每個處理機對同一個數(shù)據(jù)流的不同部分分別進行處理 求階差 輸入 輸出 ?t1 對階 尾數(shù)加 規(guī)格化 ?t2 ?t3 ?t4 P1 輸 入 任務 1 M M … P2 任務 2 M P3 任務 3 輸 出 單功能流水線與多功能流水線 單功能流水線： 只能完成一種固定功能的流水線 Cray1計算機中有 12條； YH1計算機有 18條； Pentium有一條 5段的定點和一條 8段的浮點流水線； PentiumⅢ 有三條指令流水線，其中兩條定點指令流水線，一條浮點指令流水線。 多功能流水線： 流水線的各段通過不同連接實現(xiàn)不同功能 Texas公司的 ASC計算機中的 8段流水線，能夠?qū)崿F(xiàn)：定點加減法、定點乘法、浮點加法、浮點乘法、邏輯運算、移位操作、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、向量運算等。 A B A B A B A B輸入 輸入 輸入 輸入求階差 求階差 求階差 求階差對階 對階 對階 對階尾數(shù)加 尾數(shù)加 尾數(shù)加 尾數(shù)加規(guī)格化 規(guī)格化 規(guī)格化 規(guī)格化尾數(shù)乘 尾數(shù)乘 尾數(shù)乘 尾數(shù)乘累加 累加 累加 累加輸出 輸出 輸出 輸出g = f ( A , B ) 定點乘 浮點加 浮點點積(a) 功能段間的互連 (b) 定點乘法 (c) 浮點加法 (d) 浮點點積靜態(tài)流水線與動態(tài)流水線 靜態(tài)流水線： 同一段時間內(nèi)，多功能流水線中的各個功能段只能按照一種固定的方式連接，實現(xiàn)一種固定的功能。 只有連續(xù)出現(xiàn)同一種運算時，流水線的效率才能得到充分的發(fā)揮。 動態(tài)流水線： 在同一段時間內(nèi)，多功能流水線中的各段可以按照不同的方式連接，同時執(zhí)行多種功能。 1 時間 空間 0 2 3 … n 1 2 3 … n 1 2 3 … n 1 2 3 … n 1 2 3 … n 1 2 3 … n 1 2 3 4 … 1 2 3 … 1 2 … … 1 輸入 求階差 對階 尾數(shù)加 規(guī)格化 尾數(shù)乘 累加 輸出 靜態(tài)流水線時空圖 浮點加法 定點乘法 1 時間 空間 0 2 3 … n 1 2 3 … n 1 2 3 … n 1 2 3 … n 1 2 3 … n 1 2 3 … n 輸入 求階差 對階 尾數(shù)加 規(guī)格化 尾數(shù)乘 累加 輸出 動態(tài)流水線時空圖 … … … … … … 1 2 3 5 4 6 1 2 3 5 4 1 2 3 4 1 2 3 … … … … 浮點加法 定點乘法 流水線的其他分類方法 按照數(shù)據(jù)表示方式： 標量流水線和向量流水線 按照控制方式： 同步流水線和異步流水線 順序流水線與亂序流水線： 亂序流水線又稱為無序流水線、錯序流水線或異步流水線等 S1 就緒 回答 S2 就緒 回答 S3 就緒 回答 輸出 就緒 回答 輸入 線性流水線的性能分析 衡量流水線性能的主要指標有： 吞吐率、加速比和效率 吞吐率（ Though Put） 求流水線吞吐率的最基本公式： TP = n / Tk n為任務數(shù) , Tk為完成 n個任務所用時間 各段執(zhí)行時間相等，輸入連續(xù)任務情況下完成 n個連續(xù)任務需要的總時間為： Tk= (k+n1) ?t k為流水線的段數(shù)， ? t為時鐘周期 1 時間 空間 S1 2 3 … … n1 n S2 S3 S4 1 2 3 … … n1 n 1 2 3 … … n1 n 1 2 3 … … n1 n k?t (n1) ?t n?t (k1)?t T 吞吐率： 最大吞吐率為： 各段執(zhí)行時間不相等、輸入連續(xù)任務情況下： 吞吐率為： 最大吞吐率為： tnknTP???? )1( nTP L i m nk n t t? ?? ? ? ?m a x ( )11? ?),m a x()1( 211kkii tttntnTP???????????),m ax (121 ktttTP ???????流水線各段執(zhí)行時間不相等的解決辦法 S1 輸 入 ?t1=?t S2 ?t2=3?t S3 ?t3=?t S4 ?t4=?t 輸 出 1 時間 空間 S1 S2 S3 S4 ??ti (n1)?t2 Tk 2 3 … n 1 2 3 … n 1 2 3 … n 1 2 3 … n 一是將“瓶頸”流水段細分 (如果可分的話 )： 二是將 “瓶頸”流水段重復設置： S1 輸入 輸出 ?t S21 ?t S22 ?t S23 ?t S3 ?t S4 ?t S2(3?t) S1 輸入 輸出 ?t1=?t S21 S21 S21 S3 S4 ?t3=?t ?t4=?t ?t2=3?t 1 時間 空間 2 3 n S1 流水段重復設置的流水線 S21 4 5 6 … 1 4 … 2 1 n2 2 5 … n1 3 6 … n 1 2 3 n 4 5 6 … 2 1 1 2 3 n 4 5 6 … 2 1 S22 S23 S3 S4 加速比（ Speedup） 計算流水線加速比的基本公式： S = 順序執(zhí)行時間 T0 / 流水線執(zhí)行時間 Tk 各段執(zhí)行時間相等，輸入連續(xù)任務情況下 加速比為： 最大加速比為： 各段執(zhí)行時間不等，輸入連續(xù)任務情況下實際加速比為： 1)1( ???????????nknktnktnkSS L i m k nk n knm a x ? ?? ? ?? ? 1 計算機系統(tǒng)結構 （第 18講） 線性流水線的性能分析 衡量流水線性能的主要指標有： 吞吐率、加速比和效率 吞吐率（ Though Put）
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