計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（第15講）(文件)
【正文】 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 ???????加速比（ Speedup） 計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) 個數(shù) 加速比 10 2 4 6 8 1 1 2 4 8 16 32 64 128 效率（ Efficiency） 計算流水線效率的一般公式： 各流水段執(zhí)行時間相等，輸入 n個連續(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)行時間不等，輸入 n個連續(xù)任務(wù) 流水線的效率為： kTkTknE???0個流水段的總的時空區(qū)個任務(wù)占用的時空區(qū)1)1( ????????????nkntnkktnkE11m a x ???? ?? nk nL i mE n 流水線各段的設(shè)備量或各段的價格不相等時： 流水線的效率為： 即： 其中 ， ai k， 且 )],m a x ()1[ 2111kkiikiitttntktnE??????????????????（空區(qū)個流水段的總的加權(quán)時區(qū)個任務(wù)占用的加權(quán)時空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： 因為 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， 多個獨立的操作部件，操作部件可以采用流水線，也可以不流水。 兩個獨立的高速 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，存放其中一路分支上的指令 計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) （第 19講） Motorola公司的 MC88110： 10個操作部件 兩個寄存器堆： 整數(shù)部件通用寄存器堆， 32個 32位寄存器；浮點部件擴(kuò)展寄存器堆， 32個 80位寄存器。 IF ID FA1 FA2 FA3 MD1 MD2 MD3 AL LS 浮點加法部件 乘除法部件 定點 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： 一個周期內(nèi)能夠分時發(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)是通過增加硬件資源為代價來換取處理機(jī)性能的 超流水線處理機(jī)則通過各硬件部件充分重疊工作來提高處理機(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)采用的是時間并行性 指令執(zhí)行時序 每隔 1/n個時鐘周期發(fā)射一條指令，流水線周期為 1/n個時鐘周期 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)三個流水段。 主要運(yùn)算部件有整數(shù)部件和浮點部件 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)控制浮點存儲管理部件寄存器堆指令快表浮點流水線專用通路指令 Cache控制 快表 T LB浮點控制寄存器 DVAIVA浮點乘法部件 地址部件浮點除法部件數(shù)據(jù) Cache控制 程序計數(shù)器浮點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 裝入對準(zhǔn)器 / 存入驅(qū)動器整數(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：取第一個數(shù)據(jù) DS：取第二個數(shù)據(jù) TC：數(shù)據(jù)標(biāo)志 校驗； 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 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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