【正文】 kti+1 k+3 k+2 空閑 k+1 K k1ti k+3 k+2 k+1 k k1 k2正常流動(dòng) k+5 k+4 k+3 k+2 k+1 k 功能段功能段 S1S2S3S4S5S6順序流動(dòng)方式 (Out of order)流動(dòng)方式： 指令流出流水線的順序與流入流水線的順序不同。F2?（ F2） +（ F1） k+2： FMUL F1, F3 。 (3)寫寫相關(guān)： 指令 k與指令 k+2左邊的 F1之間的相關(guān)關(guān)系稱為：輸出相關(guān)、寫寫相關(guān)、 WW相關(guān)、WAW相關(guān)或?qū)懞笤賹懴嚓P(guān)等。 ( c ) 讀寫相關(guān) S( i) S( i) S( i) D ( i) D ( i) D ( i) S( j) S( j) S( j) D ( j) D ( j) D ( j) 數(shù)據(jù)重定向方法 重定向之前， j只能在 i之后執(zhí)行。 Tomasulo動(dòng)態(tài)調(diào)度算法 P310 實(shí)用的動(dòng)態(tài)調(diào)度算法主要有兩種 : (1)集中控制： CDC計(jì)分牌 (scorebord)算法， 最先在 CDC 6600大型機(jī)中采用。 多操作部件標(biāo)量處理機(jī)： 一條指令流水線 ， 多個(gè)獨(dú)立的操作部件， 指令級(jí)并行度小于 1。 目標(biāo)是每個(gè)時(shí)鐘周期平均執(zhí)行一條指令， ILP的期望值為 1。 目標(biāo)是每個(gè)時(shí)鐘周期平均執(zhí)行多條指令， ILP的期望值大于 1。 超標(biāo)量處理機(jī)的指令級(jí)并行度： 1＜ ILP＜ m 有先行指令窗口的超標(biāo)量處理機(jī)的流水線結(jié)構(gòu) 取指令 指令譯碼 執(zhí)行指令 寫回結(jié)果 F A 1 F A 2 F A 3 浮點(diǎn)加法部件 指令 Cac he IF 1 ID 1 M D 1 M D 2 M D 3 WR1 通用寄存器 后行寫數(shù)棧 乘除法部件 指令 Cac he IF 2 ID 2 AL WR2 通用寄存器 后行寫數(shù)棧 定點(diǎn)算術(shù)邏輯部件 IF 3 ID 3 LS 先行指令窗口 取數(shù)存數(shù)部件 FA ：浮點(diǎn)加減法運(yùn)算， MD ：乘除法運(yùn)算， AL ：定點(diǎn)算術(shù)邏輯運(yùn)算， LS 取數(shù)存數(shù) 多流水線調(diào)度 順序發(fā)射 (inorder issue)與亂序發(fā)射 (outorder issue)：指令發(fā)射順序是按照程序中指令排列順序進(jìn)行的稱為順序發(fā)射 順序完成 (inorder pletion)與亂序完成 (outorder pletion)： 指令完成順序是按照程序中指令排列順序進(jìn)行的稱為順序完成 多流水線的調(diào)度主要有三種方法： 順序發(fā)射順序完成 順序發(fā)射亂序完成 亂序發(fā)射亂序完成 以如下 6條指令組成的程序?yàn)槔?，說明這三種調(diào)度方法 I1： LOAD R1, A ； R1←(A) I2： FADD R2, R1 ； R2←(R2) ＋ (R1) I3： FMUL R3, R4 ； R3←(R3) (R4) I4： FADD R4, R5 ； R4←(R4) ＋ (R5) I5： DEC R6 ； R6←(R6) － 1 I6： FMUL R6, R7 ； R6←(R6) ＋ (R7) 6條指令中有 4個(gè)數(shù)據(jù)相關(guān)，包括 2個(gè)寫讀相關(guān)， 1個(gè)讀寫相關(guān)和 1個(gè)寫寫相關(guān)。 總的執(zhí)行時(shí)間為 8個(gè)周期 ， 節(jié)省 2個(gè)周期。 雙流水線超標(biāo)量處理機(jī)，操作部件采用流水線的時(shí)空?qǐng)D 1 2 3 4 5 6 7 8 流水線 1 I1 IF1 ID1 FADD1 FADD2 FADD3 WR1 時(shí)鐘周期 流水線 2 I2 IF2 ID2 FMUL1 FMUL2 FMUL3 FMUL4 WR2 流水線 1 I 3 IF1 ID1 FADD1 FADD2 FADD3 WR1 流水線 2 I 4 IF2 ID2 FMUL1 FMUL2 FMUL3 FMUL4 W R 2 指令 IF ：取指令， ID ：指令譯碼， FADD ：浮點(diǎn)加法， FMUL ：浮點(diǎn)乘法， WR ：寫回結(jié)果 操作部件采用流水線結(jié)構(gòu)的原因分析 假每個(gè)周期發(fā)射 m條指令，操作部件的延遲時(shí)間為 k個(gè)周期， 如果操作部件不采用流水線結(jié)構(gòu)，則使用同一個(gè)操作部件的兩條指令應(yīng)該 至少相差 m k 如果操作部件采用 k段流水線結(jié)構(gòu)，則使用同一個(gè)操作部件的兩條指令 只需相差 m或 m以上 指令流水線的段數(shù) k一般在 4至 10之間，每個(gè)時(shí)鐘周期發(fā)射的指令條數(shù) m在 2至 4之間。 如果由于某種原因，操作部件不能采用流水線結(jié)構(gòu)，則必須設(shè)置多個(gè)相同種類的操作部件 普通標(biāo)量處理機(jī)，希望相同操作連續(xù)出現(xiàn)。 超標(biāo)量處理機(jī)的這種要求正好符合一般標(biāo)量程序的特點(diǎn) 。 指令執(zhí)行時(shí)序 每隔 1/n個(gè)時(shí)鐘周期發(fā)射一條指令 ， 即處理機(jī)的流水線周期為 1/n個(gè)時(shí)鐘周期。 主要運(yùn)算部件有整數(shù)部件和浮點(diǎn)部件。 中央控制部件 IBOX能夠同時(shí)完成： 同時(shí)讀出兩條指令； 同時(shí)對(duì)兩條指令進(jìn)行譯碼，并作相關(guān)性檢測； 如果資源和相關(guān)性允許， IBOX就把兩條指令同時(shí)發(fā)射給 EBOX、 ABOX和 FBOX三個(gè)執(zhí)行部件中的兩個(gè)。 (2)訪問存儲(chǔ)器流水線為 7個(gè)流水段 。 7 個(gè)流水段的整數(shù)操作流水線(0) (1) (2) (3) (4) (5) (6)IF S W A P I0 I1 A1 A2 WRIF ：取指令； SWAP ：交換雙發(fā)射指令，轉(zhuǎn)移預(yù)測； I0 ：指令譯碼；I1 訪問通用寄存器堆，發(fā)射校驗(yàn)； A1 ：計(jì)算周期 1 ， IBOX 計(jì)算新的 PC 值；A2 ：計(jì)算周期 2 ，查指令快表； WR ：寫整數(shù)寄存器堆，指令 Cache 命中檢測。在指令執(zhí)行過程中的許多功能段，超標(biāo)量處理機(jī)都重復(fù)設(shè)置有多個(gè)相同的指令執(zhí)行部件，而超流水線處理機(jī)只是把同一個(gè)指令執(zhí)行部件分解為多個(gè)流水級(jí)。 超標(biāo)量處理機(jī)在每個(gè)時(shí)鐘周期的一開始就同時(shí)發(fā)射多條指令， 超流水線處理機(jī)把一個(gè)時(shí)鐘周期平均分成多個(gè)流水線周期，每個(gè)流水線周期只發(fā)射一條指令。 目前，一般認(rèn)為， m 和 n 都不要超過 4。 對(duì)于各個(gè)不同程序，這個(gè)收攏點(diǎn)的位置也是不同的。 最大指令級(jí)并行度由程序自身的語義決定，與這個(gè)程序運(yùn)行在那一種處理機(jī)上及采用何種方法開發(fā)并行性無關(guān)。 當(dāng)理論指令級(jí)并行度進(jìn)一步增加時(shí)，處理機(jī)實(shí)際指令級(jí)并行度提高的速度越來越慢。 由于超流水線處理機(jī)采用深度流水線結(jié)構(gòu)，對(duì)條件轉(zhuǎn)移等操作比超標(biāo)量處理機(jī)敏感。 1 0 個(gè)流水段的浮點(diǎn)操作流水線 ( 0 ) (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9)IF S W A P I0 I1 F1 F2 F3 F4 F5 F W RF1 － F5 ：浮點(diǎn)計(jì)算流水線； FWR ：寫回浮點(diǎn)寄存器堆。 三條指令流水線的平均段數(shù)為 (7+7+10)/3=8，且每個(gè)時(shí)鐘周期發(fā)射兩條指令。 在指令 Cache中有一個(gè)轉(zhuǎn)移歷史表，實(shí)現(xiàn)條件轉(zhuǎn)移的動(dòng)態(tài)預(yù)測。 指令 運(yùn)行 暫停 暫停 運(yùn)行 運(yùn)行 運(yùn)行 運(yùn)行 運(yùn)行 運(yùn)行 運(yùn)行 運(yùn)行 I 1 DF DS TC WB L O A D 指令 I 2 EX DF DS TC WB 使用 LOAD 數(shù)據(jù) I 3 RF EX DF DS TC WB I 4 IS RF EX DF DS TC WB I 5 IF IS RF EX DF DS TC WB I 6 IF IS RF EX DF DS TC WB 超