計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（第15講）(文件)
【正文】 1 時(shí)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(shí)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 ???????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(shí)間 T0 / 流水線執(zhí)行時(shí)間 Tk 各段執(zhí)行時(shí)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(shí)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 ? ?? ? ?? ? 1Sn tt n t t tiikiikk??? ? ???? ? ????? ? ? ?111 21( ) m a x ( , , , ）K=6 K=10 任務(wù) 個(gè)數(shù) 加速比 10 2 4 6 8 1 1 2 4 8 16 32 64 128 效率（ Efficiency） 計(jì)算流水線效率的一般公式： 各流水段執(zhí)行時(shí)間相等，輸入 n個(gè)連續(xù)任務(wù) 流水線的效率為： 流水線的最高效率為： 各流水段執(zhí)行時(shí)間不等，輸入 n個(gè)連續(xù)任務(wù) 流水線的效率為： kTkTknE???0個(gè)流水段的總的時(shí)空區(qū)個(gè)任務(wù)占用的時(shí)空區(qū)1)1( ????????????nkntnkktnkE11m a x ???? ?? nk nL i mE n 流水線各段的設(shè)備量或各段的價(jià)格不相等時(shí)： 流水線的效率為： 即： 其中 ， ai k， 且 )],m a x ()1[ 2111kkiikiitttntktnE??????????????????（空區(qū)個(gè)流水段的總的加權(quán)時(shí)區(qū)個(gè)任務(wù)占用的加權(quán)時(shí)空knE ?)],m a x ()1[ 21111nkiiikiIikiiitttntaatanE????????????????????（kakii ???1流水線的吞吐率、加速比與效率的關(guān)系： 因?yàn)? 因此： E=TP 流水線的吞吐率為： 流水線的加速比為： 流水線的效率為： ttTnTPk ???????147015787115 740 ???? ????? t tTTSk470154 740 ????? ?????? ttTk TEk第五章 標(biāo)量處理機(jī) 先行控制技術(shù) 流水線技術(shù) 超標(biāo)量處理機(jī) 超流水線處理機(jī) 超標(biāo)量超流水線處理機(jī) 超標(biāo)量處理機(jī) 基本結(jié)構(gòu) 單發(fā)射與多發(fā)射 超標(biāo)量處理機(jī)： Intel公司的 i860, i960, Pentium處理機(jī)Motolora公司的 MC88110 IBM公司的 Power 6000 SUN公司的 SuperSPARC等。 多操作部件處理機(jī)： 一條指令流水線， 多個(gè)獨(dú)立的操作部件，操作部件可以采用流水線，也可以不流水。 兩個(gè)獨(dú)立的高速 Cache中 ，各為 8KB，采用兩路組相聯(lián)方式， 轉(zhuǎn)移目標(biāo)指令 Cache， 在有兩路分支時(shí)，存放其中一路分支上的指令 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) （第 19講） Motorola公司的 MC88110： 10個(gè)操作部件 兩個(gè)寄存器堆： 整數(shù)部件通用寄存器堆， 32個(gè) 32位寄存器；浮點(diǎn)部件擴(kuò)展寄存器堆， 32個(gè) 80位寄存器。 IF ID FA1 FA2 FA3 MD1 MD2 MD3 AL LS 浮點(diǎn)加法部件 乘除法部件 定點(diǎn) ALU部件 取數(shù)存數(shù)部件 WR IF ID WR IF ID 先行指 令窗口 第五章 標(biāo)量處理機(jī) 先行控制技術(shù) 流水線技術(shù) 超標(biāo)量處理機(jī) 超流水線處理機(jī) 超標(biāo)量超流水線處理機(jī) 超流水線處理機(jī) 兩種定義： 一個(gè)周期內(nèi)能夠分時(shí)發(fā)射多條指令的處理機(jī)稱為超流水線處理機(jī) 指令流水線有 8個(gè)或更多功能段的流水線處理機(jī)稱為超流水線處理機(jī) 提高處理機(jī)性能的不同方法： 超標(biāo)量處理機(jī)是通過(guò)增加硬件資源為代價(jià)來(lái)?yè)Q取處理機(jī)性能的 超流水線處理機(jī)則通過(guò)各硬件部件充分重疊工作來(lái)提高處理機(jī)性能 兩種不同并行性： 超標(biāo)量處理機(jī)采用的是空間并行性 超流水線處理機(jī)采用的是時(shí)間并行性 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，流水線周期為 1/n個(gè)時(shí)鐘周期 在超標(biāo)量處理機(jī)中，流水線的有些功能段還可以進(jìn)一步細(xì)分 例如： ID功能段可以再細(xì)分為譯碼、讀第一操作數(shù)和讀第二操作數(shù)三個(gè)流水段。 主要運(yùn)算部件有整數(shù)部件和浮點(diǎn)部件 譯碼數(shù)據(jù)Cache標(biāo)志 標(biāo)志指令Cache譯碼存入緩沖／對(duì)準(zhǔn)器IBUS寫入緩沖器數(shù)據(jù)標(biāo)志地址DBUS 系統(tǒng)控制浮點(diǎn)存儲(chǔ)管理部件寄存器堆指令快表浮點(diǎn)流水線專用通路指令 Cache控制 快表 T LB浮點(diǎn)控制寄存器 DVAIVA浮點(diǎn)乘法部件 地址部件浮點(diǎn)除法部件數(shù)據(jù) Cache控制 程序計(jì)數(shù)器浮點(diǎn)加法部件流水線通用寄存器堆轉(zhuǎn)換部件控制算術(shù)邏輯部件 ALU求平方根部件 裝入對(duì)準(zhǔn)器 / 存入驅(qū)動(dòng)器整數(shù)乘法／除法部件MIPS R4000 超流水線處理機(jī)結(jié)構(gòu)指令 Cache MIPS R4000處理機(jī)的流水線操作 IF：取第一條指令 IS：取第二條指令 RF：讀寄存器堆，指令譯碼 EX：執(zhí)行指令 DF：取第一個(gè)數(shù)據(jù) DS：取第二個(gè)數(shù)據(jù) TC：數(shù)據(jù)標(biāo)志 校驗(yàn)； WB：寫回結(jié)果 指令 譯碼 讀寄 存器堆 ALU 數(shù)據(jù) Cache 標(biāo)志檢驗(yàn) 寄存 器堆 IF IS RF EX DF DS WB TC IF 流水線周期 當(dāng)前 CPU周期 IS RF EX DF DS TC WB IF IS RF EX DF DS TC WB IF IS RF EX DF DS TC WB IF IS RF EX DF DS TC WB IF IS RF EX DF DS TC WB IF IS RF EX DF DS TC WB IF IS RF EX DF DS TC WB IF IS
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