【正文】 標(biāo)量超流水線處理機(jī)性能 三種指令級并行性處理機(jī)性能比較 指令執(zhí)行時序 超標(biāo)量超流水線處理機(jī)在一個時鐘周期內(nèi)分時發(fā)射指令 n次，每次同時發(fā)射指令 m條，每個時鐘周期總共發(fā)射指令 m ? n條。 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。 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。 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。 如果再規(guī)定，執(zhí)行指令所需要的操作數(shù)和執(zhí)行結(jié)果只寫到通用寄存器，那么，取指令、分析指令和執(zhí)行指令就可以同時進(jìn)行。 動態(tài)流水線： 在同一段時間內(nèi)，多功能流水線中的各段可以按照不同的方式連接，同時執(zhí)行多種功能。 4個至 16個操作部件 超標(biāo)量處理機(jī)的指令級并行度： 1＜ILP＜ m； m為每個周期發(fā)射的指令條數(shù)。 指令 Ca che （ 8KB ）轉(zhuǎn)移歷史表區(qū)號 指令 地址總線E BO X IBOX F BO X 34 位乘法器 預(yù)取器乘法器 /加法器資源沖突檢測加法器移位器PC 計算 數(shù)據(jù)總線邏輯單元 指令快表除法器 1 2 8 位流水線控制定點(diǎn)寄存器堆（ 32 64 ）浮點(diǎn)寄存器堆（ 32 64 ）ABOX總線接口部外部 Ca che寫數(shù)緩沖器 地址發(fā)生器 數(shù)據(jù)快表 讀數(shù)緩沖器 控制件數(shù)據(jù) Ca che （ 8KB ）區(qū)號 數(shù)據(jù)Alpha 21064 處理機(jī)結(jié)構(gòu)除法器 析指令為 4個流水段，運(yùn)算 2個流水段，寫結(jié)果 1個流水段。在 EBOX內(nèi)還有多條專用數(shù)據(jù)通路，可以把運(yùn)算結(jié)果直接送到執(zhí)行部件。每個寄存器堆有8個端口，分別與 8條內(nèi)部總線相連接，有一個緩沖深度為 4的先行讀數(shù)棧和一個緩沖深度為 3的后行寫數(shù)棧。 一種指令流水線 取指 形成操 作數(shù)地址 譯碼 取操 作數(shù) 執(zhí)行 保存 結(jié)果 一般 4至 12個流水段，等于及大于 8個流水段的稱為超流水線處理機(jī) 流水線的時空圖 一條簡單流水線的時空圖： 分析 k 分析 k+1 分析 k+2 分析 k+3 執(zhí)行 k 執(zhí)行 k+1 執(zhí)行 k+2 執(zhí)行 k+3 時間 空間 0 t1 t2 t3 t4 t5 一個浮點(diǎn)加法器流水線的時空圖 (由求階差、對階、尾數(shù)加和規(guī)格化 4個流水段組成 )： ED1 時間 空間 0 t1 t2 t3 t4 t5 ED2 ED3 ED4 ED5 EA1 EA2 EA3 EA4 EA5 MA1 MA2 MA3 MA4 MA5 NL1 NL2 NL3 NL4 NL5 t6 t7 t8 NL： 規(guī)格化 MA： 尾數(shù)加 EA： 對階 ED： 求階差 流水線的主要特點(diǎn) 只有連續(xù)提供同類任務(wù)才能充分發(fā)揮流水線的效率： 對于指令流水線：要盡量減少因條件分支造成的“斷流” 對于操作部件：主要通過編譯技術(shù)，盡量提供連續(xù)的同類操作 在流水線的每一個流水線段中都要設(shè)置一個流水鎖存器 時間開銷：流水線的執(zhí)行時間加長 是流水線中需要增加的主要硬件之一 各流水段的時間應(yīng)盡量相等 流水線處理機(jī)的基本時鐘周期等于時間最長的流水段的時間長度 流水線需要有“裝入時間”和“排空時間” 流水線的分類 線性流水線與非線性流水線 流水線的各個流水段之間是否有反饋信號 線性流水線 (Linear Pipelining) 每個流水段都流過一次，且僅流過一次 非線性流水線 (Nonlinear Pipelining) 在流水線的某些流水段之間有反饋回路或前饋回路 線性流水線能夠用流水線連接圖唯一表示 非線性流水線必須用流水線連接圖流水線預(yù)約表等共同表示 S1 輸入 S2 S3 輸出 前饋回路 反饋回路 一種簡單的非線性流水線 計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) （第 17講） 按照流水線的級別來分 處理機(jī)級流水線 , 又稱為指令流水線 (Instruction Pipelining) 例如：在采用先行控制器的處理機(jī)中，各功能部件之間的流水線 先行指令 緩沖棧 輸入 先行控制方式 中的指令流水線 先行指令 分析器 先行讀數(shù)棧 先行操作棧 取指 譯碼 取操作數(shù) 指令執(zhí) 行部件 后行 寫數(shù)棧 輸出 執(zhí)行 寫結(jié)果 部件級流水線 （操作流水線），如浮點(diǎn)加法器流水線 處理機(jī)之間的流水線稱為 宏流水線 (Macro Pipelining) 每個處理機(jī)對同一個數(shù)據(jù)流的不同部分分別進(jìn)行處理 求階差 輸入 輸出 ?t1 對階 尾數(shù)加 規(guī)格化 ?t2 ?t3 ?t4 P1 輸 入 任務(wù) 1 M M … P2 任務(wù) 2 M P3 任務(wù) 3 輸 出 單功能流水線與多功能流水線 單功能流水線： 只能完成一種固定功能的流水線 Cray1計算機(jī)中有 12條； YH1計算機(jī)有 18條； Pentium有一條 5段的定點(diǎn)和一條 8段的浮點(diǎn)流水線； PentiumⅢ 有三條指令流水線，其中兩條定點(diǎn)指令流水線，一條浮點(diǎn)指令流水線。 先行控制技術(shù)的關(guān)鍵是緩沖技術(shù)和預(yù)處理技術(shù)。 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。` 分析器