計算機系統(tǒng)結(jié)構電子教案(2)-wenkub
2023-05-21 16:33:27 本頁面
【正文】 等級從低到高可分為： ? 指令內(nèi)部并行：單條指令中各微操作之間的并行。 ? 指令級并行：并行執(zhí)行兩條或兩條以上的指令。以子程序或進程為調(diào)度單元。主要手段是將沖突指令錯開啟動時間、變量換名等。 換一個角度，有時從 CPI的倒數(shù)看問題會有新思路， IPC（ Instructions Per Cycle） 是每個時鐘周期完成的指令條數(shù)。 ? 程序平均每 4～ 7條指令就會有一個分支。 CPI的下限是 1，減少 Cycle碰到了“ 4G墻”（指 Intel公司開發(fā)4GHz P4計劃失敗，因為功耗正比于主頻 3次方），工程師們無奈又回頭來打 CPI的主意，想使 CPI低于 1，即在一個時鐘周期內(nèi)流出多條指令。 采用單發(fā)射技術的傳統(tǒng)處理機又被稱為“標量處理機”。 多指令流出技術（續(xù) ） 計算機系統(tǒng)結(jié)構 8 超標量技術：一個時鐘節(jié)拍內(nèi) 同時 發(fā)射多條指令（ P142第 1段）。 每個操作放在一個槽（ slot） 內(nèi)。 為了同時執(zhí)行多個線程，使用超線程技術的新一代 P4 HT處理器需要增加一個邏輯處理器單元。 含有超線程技術的 CPU需要主板（包括芯片組和 BIOS）、 軟件（包括操作系統(tǒng)和應用軟件，如 XP） 支持，才能比較理想地發(fā)揮該項技術的優(yōu)勢。 其中 “ 在 ID周期完成判斷并計算目標地址 ” 的方法把分支等待周期由3個減少到 1個，但是再要消除這 1個等待周期就很難了。 為了容易實現(xiàn)，一個 CPU在設計時就把 “ 猜 ” 的方向設定了，即總是猜分支失?。ɑ蛘呖偸遣路种С晒Γ?，這種猜法的 “ 猜對率 ” 沒有保障。顯然， “ 猜錯 ” 時的開銷更大，否則 “ 猜 ” 就沒有意義了。表的容量決定了能為多少個“最近用到”的分支指令記錄歷史信息。具體算法見下圖。所以 BTB表只保存成功的分支指令地址及其目標地址，不保存失敗的分支指令。 采用 BTB預測方法之后，不同情況下的延遲周期數(shù)是不同的，下面分4種情形討論。所以 “ 試取指令 K+1”無效，須報廢； ← 指令 L的地址 使用 PC值，試取指令 K+1（ 無效） Str IF 指令 L 使用新 PC值 ， 改取指令 L BTB表增添一項，猜指令K下次轉(zhuǎn)移到指令 L IF 計算機系統(tǒng)結(jié)構 24 情形 4： BTB不命中，指令 K不轉(zhuǎn)移 → 延遲 =0 分支目標緩沖器 BTB方法（續(xù) 8） IF ID EX Mem WB IF ID EX Mem WB 指令 K 指令 K+1 K取指， PC+4； K的地址，檢索 BTB表，不命中，表明指令 K上次沒有轉(zhuǎn)移，猜此次仍不轉(zhuǎn)移，不改 PC K譯碼、判斷轉(zhuǎn)移、計算轉(zhuǎn)移目標地址； ：不轉(zhuǎn)移。 分支目標緩沖器 BTB方法（續(xù) 9） 名稱 BTB 命中情況 預測 指令判跳結(jié)果 延遲周期 情形 1 命中 成功 成功 0 情形 2 命中 成功 不成功 2 情形 3 不命中 成功 2 情形 4 不命中 不成功 0 計算機系統(tǒng)結(jié)構 26 采用 BTB預測方法后的 CPI計算公式： 平均 CPI = 理想 CPI + 平均延遲周期數(shù) 由于平均 CPI針對所有指令，所以還要把非轉(zhuǎn)移指令也考慮進去，如下圖 分支目標緩沖器 BTB方法（續(xù) 10） 所有指令 轉(zhuǎn)移指令 非轉(zhuǎn)移指令（ BTB必不命中，本次必不轉(zhuǎn)移） BTB命中 BTB不命中 本次不轉(zhuǎn)移 — BTB不命中，不轉(zhuǎn)移： 0拍 本次轉(zhuǎn)移 —— BTB命中，轉(zhuǎn)移： 0拍 本次不轉(zhuǎn)移 — BTB命中，不轉(zhuǎn)移： 若干拍 +1 本次轉(zhuǎn)移 —— BTB不命中，轉(zhuǎn)移： 若干拍 +1 計算機系統(tǒng)結(jié)構 27 例 設程序中轉(zhuǎn)移指令占 20%， 50%可以在 BTB命中，命中的指令本次轉(zhuǎn)移概率為 90%，未命中的指令本次轉(zhuǎn)移概率為 60%，判斷轉(zhuǎn)移并計算地址的開銷是 2，修改 BTB的開銷是 1，非轉(zhuǎn)移指令的 CPI=1。 分支目標緩沖器 BTB方法（續(xù) 12） 計算機系統(tǒng)結(jié)構 29 假設有一條長流水線，僅僅對條件轉(zhuǎn)移指令使用分支目標緩沖。 (2)相對于采用固定的 2個時鐘周期延遲的分支處理，采用哪種方法能使程序執(zhí)行速度更快？ 分析： 分支目標緩沖器 BTB方法（續(xù) 13） 所有指令 轉(zhuǎn)移指令 非轉(zhuǎn)移指令（ BTB必不命中，本次必不轉(zhuǎn)移） BTB命中 BTB不命中 本次不轉(zhuǎn)移 — —— 0拍 本次轉(zhuǎn)移 —— BTB命中，轉(zhuǎn)移： 0拍 本次不轉(zhuǎn)移 — BTB命中，不轉(zhuǎn)移： 4拍 本次轉(zhuǎn)移 —— 15% 85% 90% 10% 90% 10% 平均： 3拍 計算機系統(tǒng)結(jié)構 30 假設分支目標緩沖的命中率為 90%，程序中
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