計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(第八講)(已修改)
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【正文】 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) (第八講 ) 廈門大學(xué)計算機科學(xué)系 陸達 2022年 12月 13日 第五章 標(biāo)量處理機 超流水線處理機 ?什么是超流水線處理機？ 這種在一個基本時鐘周期內(nèi)能夠分時發(fā)射多條指令的處理機稱為超流水線處理機 ?超流水線處理機：流水線的級數(shù) ≥8 ?超標(biāo)量處理機：是以增加硬件資源為代價來換取處理機的性能；空間并行性 ?超流水線處理機：只需增加少量硬件，是通過各部分硬件的充分重疊工作來提高處理機的性能；時間并行性 指令執(zhí)行時序 ? 在一個時鐘周期內(nèi)能夠發(fā)射 n條指令，每隔 1/n個時鐘周期發(fā)射一條指令 ? 圖 ：超流水線處理機的指令執(zhí)行時空圖 （每個時鐘周期分時發(fā)射 2條指令） ? 功能段可以進一步細分： “ 譯碼（ ID）功能段 ” =“譯碼 ” 流水級 +“取第一個操作數(shù) ” 流水級 +“取第二個操作數(shù) ” 流水級 典型處理機結(jié)構(gòu) ? CRAY CDC7600： n=3 ? SGI公司的 MIPS（ microprocessor without interlocked piped stages）： R202 R3000、 R4000、 R5000、R10000 ? 圖 ： MIPS R4000超流水線處理機結(jié)構(gòu) ? 兩個 Cache：指令 Cache、數(shù)據(jù) Cache ? 整數(shù)部件：通用寄存器堆、 ALU、裝入對準(zhǔn)器 /存入驅(qū)動器、整數(shù)乘法 /除法部件 ? 浮點部件：浮點通用寄存器堆、浮點乘法部件、浮點除法部件、浮點加法 /轉(zhuǎn)換 /求平方根部件、浮點控制器、浮點流水線專用通路 ? 圖 ： MIPS R4000處理機的流水線操作 ? 8級流水線、每個時鐘周期包含兩個流水線 ? 圖 ： MIPS R4000正常指令流水線工作時序 ? 一個時鐘周期內(nèi)，流水線執(zhí)行完成了兩條指令 ? 圖 ： LOAD指令引起的流水線暫停 ? 暫停一個時鐘周期（兩個流水線周期） 超流水線處理機性能 ? 在一臺指令級并行度為 (1,n)的超流水線處理機上，執(zhí)行 N條沒有數(shù)據(jù)相關(guān)和控制相關(guān)的指令所需要的時間為： T(1,n)=[k+(N1)/n]*△ t n：每個時鐘周期分時發(fā)射的指令的條數(shù) N：需要執(zhí)行的指令條數(shù) k：指令流水線的功能段數(shù) k*n：指令流水線的級數(shù) ? 加速比： S(1,n)=T(1,1)/T(1,n)=n*(k+N1)/(n*k+N1) S(1,n)max=n 超標(biāo)量超流水線處理機 ? 超標(biāo)量處理機：在一個時鐘周期內(nèi)發(fā)射多條指令；主要開發(fā)空間并行性，依靠多個操作在重復(fù)設(shè)置的操作部件上同時執(zhí)行來提高程序的執(zhí)行速度 ? 超流水線處理機：把一個時鐘周期細分為多個流水線周期，每一個時鐘周期能夠發(fā)射并執(zhí)行完成多條指令；主要開發(fā)時間并行性，在同一操作部件上重疊多個操作，通過使用較快時鐘周期的深度流水線來加快程序的執(zhí)行速度 ? 超標(biāo)量超流水線處理機：超標(biāo)量處理機 +超流水線處理機 指令執(zhí)行時序 ?圖 ：超標(biāo)量超流水線處理機的指令執(zhí)行時空圖 ?在一個時鐘周期內(nèi)要發(fā)射指令 n次，每次發(fā)射指令 m條，每個時鐘周期共要發(fā)射指令m*n條 典型處理機結(jié)構(gòu) ? DEC公司的 Alpha 21064處理機結(jié)構(gòu)（圖 ） ? 四個部件： （ 1）、整數(shù)執(zhí)行部件（ EBOX） （ 2）、浮點執(zhí)行部件（ FBOX） （ 3）、地址部件（ ABOX） （ 4）、中央控制部件（ IBOX） ? 兩個 Cache： （ 1）、指令 Cach
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