計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（第15講）-預(yù)覽頁(yè)
【正文】 周期同時(shí)取多條指令、同時(shí)譯碼多條指令，同時(shí)執(zhí)行多條指令，同時(shí)寫(xiě)回多個(gè)運(yùn)算結(jié)果 需要多個(gè)取指令部件，多個(gè)指令譯碼部件和多個(gè)寫(xiě)結(jié)果部件 設(shè)置多個(gè)指令執(zhí)行部件，復(fù)雜的指令執(zhí)行部件一般采用流水線(xiàn)結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)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 IF 時(shí)鐘 周期 指令 I1 I2 I3 ID EX WR 1 2 3 4 5 6 多發(fā)射處理機(jī)的指令流水線(xiàn)時(shí)空?qǐng)D I4 I5 I6 IF ID EX WR I7 I8 I9 IF ID EX WR IF ID EX WR IF ID EX WR IF ID EX WR IF ID EX WR IF ID EX WR IF ID EX WR 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 超標(biāo)量處理機(jī)： 一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)能夠同時(shí)發(fā)射多條指令的處理機(jī)稱(chēng)為超標(biāo)量處理機(jī) 必須有兩條或兩條以上能夠同時(shí)工作的指令流水線(xiàn) 先行指令窗口： 能夠從指令 Cache中預(yù)取多條指令 能夠?qū)Υ翱趦?nèi)的指令進(jìn)行數(shù)據(jù)相關(guān)性分析和功能部件沖突的檢測(cè) 窗口的大?。阂话銥?2至 8條指令 采用目前的指令調(diào)度技術(shù)，每個(gè)周期發(fā)射 2至 4條指令比較合理 例如： Intel公司的 i860、 i960、 Pentium處理機(jī) ， Motolora公司的 MC88110處理機(jī)，IBM公司的 Power 6000處理機(jī)等每個(gè)周期都發(fā)射兩條指令 TI公司生產(chǎn)的 SuperSPARC處理機(jī)以及 Intel的 Pentium III處理機(jī)等每個(gè)周期發(fā)射三條指令 操作部件的個(gè)數(shù)多于每個(gè)周期發(fā)射的指令條數(shù)。 超標(biāo)量處理機(jī)典型結(jié)構(gòu)： 多條指令流水線(xiàn) 先進(jìn)的超標(biāo)量處理機(jī)有：定點(diǎn)處理部件 CPU， 浮點(diǎn)處理部件 FPU,圖形加速部件 GPU 大量的通用寄存器，兩個(gè)一級(jí)高速Cache 超標(biāo)量處理機(jī)的指令級(jí)并行度大于 1 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。 超標(biāo)量超流水線(xiàn)處理機(jī)： DEC公司的 Alpha等。E 流水線(xiàn)性能分析舉例 對(duì)于單功能線(xiàn)性流水線(xiàn)，輸入連續(xù)任務(wù)的情況，通過(guò)上面給出的公式很容易計(jì)算出流水線(xiàn)的吞吐率、加速比和效率。 只有連續(xù)出現(xiàn)同一種運(yùn)算時(shí)，流水線(xiàn)的效率才能得到充分的發(fā)揮。 為了簡(jiǎn)化，在一般流水線(xiàn)中不畫(huà)出流水鎖存器。 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) （第 16講） 第五章 標(biāo)量處理機(jī) 先行控制技術(shù) 流水線(xiàn)技術(shù) 超標(biāo)量處理機(jī) 超流水線(xiàn)處理機(jī) 超標(biāo)量超流水線(xiàn)處理機(jī) 流水線(xiàn)技術(shù) 流水線(xiàn)工作原理 流水線(xiàn)的分類(lèi) 線(xiàn)性流水線(xiàn)的性能分析 非線(xiàn)性流水線(xiàn)的調(diào)度技術(shù) 流水線(xiàn)技術(shù) 空間并行性： 設(shè)置多個(gè)獨(dú)立的操作部件 多操作部件處理機(jī) 超標(biāo)量處理機(jī) 時(shí)間并行性： 采用流水線(xiàn)技術(shù)。 (3) 采用先行控制技術(shù)。 (2) 兩個(gè)獨(dú)立的存儲(chǔ)器 ： 獨(dú)立的指令存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。 (3) 采用先行控制技術(shù)。 (2) 兩個(gè)獨(dú)立的存儲(chǔ)器 ： 獨(dú)立的指令存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) （第 15講） 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 第二章 指令系統(tǒng) 第三章 存儲(chǔ)系統(tǒng) 第四章 輸入輸出系統(tǒng) 第五章 標(biāo)量處理機(jī) 第六章 向量處理機(jī) 第七章 互連網(wǎng)絡(luò) 第八章 并行處理機(jī)和 多處理機(jī) 第五章 標(biāo)量處理機(jī) 指令的重疊執(zhí)行方式 流水線(xiàn)技術(shù) 超標(biāo)量處理機(jī) 超流水線(xiàn)處理機(jī) 超標(biāo)量超流水線(xiàn)處理機(jī) 只有標(biāo)量數(shù)據(jù)表示和標(biāo)量指令系統(tǒng)的處理機(jī)稱(chēng)為標(biāo)量處理機(jī) 提高指令執(zhí)行速度的主要途徑： (1) 提高處理機(jī)的工作主頻 (2) 采用更好的算法和設(shè)計(jì)更好的功能部件 (3) 采用指令級(jí)并行技術(shù) 三種指令級(jí)并行處理機(jī)： (1) 流水線(xiàn)處理機(jī)和超流水線(xiàn) (Super pipelining)處理機(jī) (2) 超標(biāo)量 (Superscalar)處理機(jī) (3) 超長(zhǎng)指令字 (VLIW: Very Long Instruction Word)處理機(jī) 指令的重疊執(zhí)行方式 順序執(zhí)行方式 執(zhí)行 n條指令所用的時(shí)間為： 如果每段時(shí)間都為 t， 則執(zhí)行 n條指令所用的時(shí)間為： T=3nt ?????niiii tttT1( ）執(zhí)行分析取指令取指令 k 分析 k 執(zhí)行 k 取指令 k+1 分析 k+1 執(zhí)行 k+1 主要優(yōu)點(diǎn)： 控制簡(jiǎn)單，節(jié)省設(shè)備。 取指令、讀操作數(shù)、寫(xiě)結(jié)果。 這種結(jié)構(gòu)被稱(chēng)為哈佛結(jié)構(gòu)。 在采用了緩沖技術(shù)和預(yù)處理技術(shù)之后，運(yùn)算器能夠?qū)Ｐ挠跀?shù)據(jù)的運(yùn)算，從而大幅度提高程序的執(zhí)行速度。 這種結(jié)構(gòu)被稱(chēng)為哈佛結(jié)構(gòu)。 在采用了緩沖技術(shù)和預(yù)處理技術(shù)之后，運(yùn)算器能夠?qū)Ｐ挠跀?shù)據(jù)的運(yùn)算，從而大幅度提高程序的執(zhí)行速度。會(huì)增加指令的執(zhí)行時(shí)間。 A B A B A B A B輸入 輸入 輸入 輸入求階差 求階差 求階差 求階差對(duì)階 對(duì)階 對(duì)階 對(duì)階尾數(shù)加 尾數(shù)加 尾數(shù)加 尾數(shù)加規(guī)格化 規(guī)格化 規(guī)格化 規(guī)格化尾數(shù)乘 尾數(shù)乘 尾數(shù)乘 尾數(shù)乘累加 累加 累加 累加輸出 輸出 輸出 輸出g = f ( A , B ) 定點(diǎn)乘 浮點(diǎn)加 浮點(diǎn)點(diǎn)積(a) 功能段間的互連 (b) 定點(diǎn)乘法 (c) 浮點(diǎn)加法 (d) 浮點(diǎn)點(diǎn)積靜態(tài)流水線(xiàn)與動(dòng)態(tài)流水線(xiàn) 靜態(tài)流水線(xiàn)： 同一段時(shí)間內(nèi)，多功能流水線(xiàn)中的各個(gè)功能段只能按照一種固定的方式連接，實(shí)現(xiàn)一種固定的功能。 ?t ， S=k 超流水線(xiàn)處理機(jī)： SGI公司的 MIPS R4000, R5000, R10000等。多操作部件處理機(jī)的指令級(jí)并行度小于 1。每個(gè)寄存器堆有8個(gè)端口，分別與 8條內(nèi)部總線(xiàn)相連接，有一個(gè)緩沖深度為 4的先行讀數(shù)棧和一個(gè)緩沖深度為 3的后行寫(xiě)數(shù)棧。也有些功能段不能再細(xì)分，如 WR功能段一般不再細(xì)分。 IF 時(shí)鐘周期 指令 I1 I2 I3 ID EX WR 1 2 3 4 5 I4 I5 I6 I7 I8 I9 IF ID EX WR IF ID EX WR IF ID EX WR IF ID EX WR IF ID EX WR IF ID EX WR IF ID EX WR IF ID EX WR IF ID EX WR IF ID EX WR IF ID EX WR I10 I11 I12 每時(shí)鐘周期發(fā)射 3次 ,每次 3條指令 典型處理機(jī)結(jié)構(gòu) DEC公司的 Alpha處理機(jī) 采用超標(biāo)量超流水線(xiàn)結(jié)構(gòu)。 指令流水線(xiàn) 采用順序發(fā)射亂序完成的控制方式。浮點(diǎn)操作流水線(xiàn)分為 10個(gè)流水段，其中，浮點(diǎn)執(zhí)行部件 FBOX的延遲時(shí)間為 6個(gè)流水段。 所有指令執(zhí)行部件 EBOX、 IBOX、ABOX和 FBOX中都設(shè)置由專(zhuān)用數(shù)據(jù)
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