計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第15講-wenkub
2022-08-29 14:04:59 本頁面
【正文】 存器，那么，取指令、分析指令和執(zhí)行指令就可以同時進(jìn)行。 主要缺點(diǎn)： 執(zhí)行指令的速度慢，功能部件的利用率很低。 一次重疊執(zhí)行方式 一種最簡單的流水線方式 如果兩個過程的時間相等，則執(zhí)行 n條指令的時間為： T=(1+2n)t 取指 分析 執(zhí)行 取指 分析 執(zhí)行 取指 分析 執(zhí)行 主要優(yōu)點(diǎn)： 指令的執(zhí)行時間縮短 功能部件的利用率明顯提高 主要缺點(diǎn)： 需要增加一些硬件 控制過程稍復(fù)雜 二次重疊執(zhí)行方式 如果三過程的時間相等，執(zhí)行 n條指令的時間為： T=(2+n)t 理想情況下同時有三條指令在執(zhí)行 處理機(jī)的結(jié)構(gòu)要作比較大的改變，必須采用先行控制方式 取指 k+2 分析 k+2 執(zhí)行 k+2 取指 k+1 分析 k+1 執(zhí)行 k+1 取指 k 分析 k 執(zhí)行 k 先行控制方式的原理 采用二次重疊執(zhí)行方式，必須解決兩個問題： (1) 有獨(dú)立的取指令部件、指令分析部件 和指令執(zhí)行部件 獨(dú)立的控制器： 存儲控制器、指令控制器、運(yùn)算控制器 (2) 要解決訪問主存儲器的沖突問題 取指令、分析指令、執(zhí)行指令都可能要訪問存儲器 解決訪存沖突的方法： (1) 采用低位交叉存取方式 ： 這種方法不能根本解決沖突問題。 在許多高性能處理機(jī)中，有獨(dú)立的指令 Cache和數(shù)據(jù)Cache。 緩沖技術(shù)是在工作速度不固定的兩個功能部件之間設(shè)置緩沖棧，用以平滑它們的工作。 在許多高性能處理機(jī)中，有獨(dú)立的指令 Cache和數(shù)據(jù)Cache。 緩沖技術(shù)是在工作速度不固定的兩個功能部件之間設(shè)置緩沖棧，用以平滑它們的工作。` 分析器 分析 k+1 流水 鎖存器 執(zhí)行部件 執(zhí)行 k 流水 鎖存器 輸 入 輸 出 ?t1 ?t2 在每一個流水段的末尾或開頭必須設(shè)置一個寄存器，稱為流水寄存器、流水鎖存器、流水閘門寄存器等。 多功能流水線： 流水線的各段通過不同連接實(shí)現(xiàn)不同功能 Texas公司的 ASC計(jì)算機(jī)中的 8段流水線，能夠?qū)崿F(xiàn)：定點(diǎn)加減法、定點(diǎn)乘法、浮點(diǎn)加法、浮點(diǎn)乘法、邏輯運(yùn)算、移位操作、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、向量運(yùn)算等。 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(diǎn)加法 定點(diǎn)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(diǎn)加法 定點(diǎn)乘法 流水線的其他分類方法 按照數(shù)據(jù)表示方式： 標(biāo)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(biāo)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(wù)數(shù) , Tk為完成 n個任務(wù)所用時間 各段執(zhí)行時間相等，輸入連續(xù)任務(wù)情況下完成 n個連續(xù)任務(wù)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(wù)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(xì)分 (如果可分的話 )： 二是將 “瓶頸”流水段重復(fù)設(shè)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(fù)設(shè)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(jì)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(wù)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(wù)情況下實(shí)際加速比為： 1)1( ???????????nknktnktnkSS L i m k nk n knm a x ? ?? ? ?? ? 1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) （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(biāo)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(wù)數(shù) , Tk為完成 n個任務(wù)所用時間 各段執(zhí)行時間相等，輸入連續(xù)任務(wù)情況下完成 n個連續(xù)任務(wù)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
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