【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 著下降。 ? 全局相關(guān) ：轉(zhuǎn)移相關(guān) ? 局部相關(guān) 流水機(jī)器的相關(guān)處理和控制機(jī)構(gòu) ? 局部性相關(guān)的處理 ? 全局性相關(guān)的處理 轉(zhuǎn)移相關(guān) ? 流水機(jī)器的中斷處理 ? 流水線調(diào)度 非線性流水線 局部相關(guān)與全局相關(guān) ? 如果程序內(nèi)有一個(gè)兩路的條件分支操作指令，它把程序分為三個(gè)部分 B0、 B1和 B2，在每一個(gè)部分內(nèi)部不再有分支操作指令 ? 在同一個(gè)基本塊內(nèi)部的相關(guān)成為局部相關(guān)（Local Correlation） ? 對(duì)程序執(zhí)行的過程的影響相對(duì)較小，僅影響到相關(guān)指令前后的一條或幾條指令的執(zhí)行 ? 在基本塊之間相關(guān)成為全局相關(guān)（ Global Correlation） ? 影響到整個(gè)程序的執(zhí)行方向 B0 B2 B1 局部性相關(guān)的處理 ? 局部性相關(guān)：指令相關(guān)、訪存操作數(shù)相關(guān)、通用寄存器組相關(guān) ? 原因：在機(jī)器同時(shí)解釋多條指令之間出現(xiàn)了對(duì)同一主存單元或寄存器要求 “ 先寫后讀 ” 而產(chǎn)生的。 ? 解決： ? 推后后續(xù)指令對(duì)相關(guān)單元的讀，直至在先的指令寫入完成 ? 設(shè)置相關(guān)直接通路，將運(yùn)算結(jié)果經(jīng)相關(guān)直接通路直接送入所需部件 局部性相關(guān)的處理（續(xù)） ? 任務(wù)在流水線中流動(dòng)順序的安排和控制 ? 順序流動(dòng)方式 （同步流動(dòng)方式）：任務(wù)流出流水線的順序保持與流入流水線的順序一致 ? 控制簡(jiǎn)單，但相關(guān)后吞吐率和效率下降 ? 異步流動(dòng)方式 舉例：流動(dòng)順序的控制 ? 8段流水線，第 2段為讀段，第 7段為寫段 ? 一串指令流入： h,i,j,k,l,m,n ? 當(dāng)指令 j的源操作數(shù)地址與指令 h的目的操作數(shù)相同時(shí)，發(fā)生 先寫后讀 的操作數(shù)相關(guān) ? 順序流動(dòng)時(shí)： j讀段是停下來等待，直到 h到達(dá)寫段并完成后，才流動(dòng)。 推后讀 。 ? 優(yōu)點(diǎn)：控制比較簡(jiǎn)單 ? 相關(guān)后流水線的吞吐率和效率下降 入 指令地址： 順序流動(dòng)和異步流動(dòng) 指令 j的源操作數(shù)地址與指令 h的目的操作數(shù)地址相同時(shí) ， h和 j就發(fā)生先寫后讀的操作數(shù)相關(guān)。 讀 段 寫 段 相關(guān)直接通路 1 2 3 4 5 6 7 8 n k k j j j m 空 i l 空 h k 空 i i h h 可以不順序流動(dòng)的 順序流動(dòng)的（推后） 判出 j、 h相關(guān) 出 讀段寫段相關(guān)直接通路空 空 空出舉例：流動(dòng)順序的控制（續(xù)） ? 異步流動(dòng)：如果讓 j之后的指令，如k,l,m,n，只要與 j沒有相關(guān)，就越過 j繼續(xù)向前流動(dòng)。 ? 會(huì)發(fā)生其他相關(guān) ? 寫 寫相關(guān) ：對(duì)同一單元，要求在先的指令先寫入，在后的指令后寫入的關(guān)聯(lián)。 ? 先讀后寫相關(guān) ：對(duì)同一單元，要求在先的指令先讀出，在后的指令再寫入的關(guān)聯(lián)。 數(shù)據(jù)相關(guān) ??S( j )D ( i ) ???D ( j )D ( i ) ?S(i) D(j) S(j) D(i) “先寫后讀”相關(guān) S(i) D(i) S(j) D(j) “寫 寫”相關(guān) D(i) S(i) D(j) S(j) “先讀后寫”相關(guān) ??D ( j )S( i ) ?單條流水線的“先寫后讀”相關(guān)的數(shù)據(jù)重定向 B A C B A C t t+Δt t t+Δt 單條流水線的“寫 寫”相關(guān)的數(shù)據(jù)重定向 B A C B A C t t+Δt t+Δt 全局性相關(guān)的處理 ? 指的是已進(jìn)入流水線的轉(zhuǎn)移指令（尤其是條件轉(zhuǎn)移指令）和其后續(xù)指令之間的相關(guān)。 全局性相關(guān)的處理 轉(zhuǎn)移相關(guān) ? 猜測(cè)法 ? 加快和提前形成條件碼 ? 加快單條指令內(nèi)部的條件碼的形成 ? 在一段程序內(nèi)提前形成條件碼 （ 適合循環(huán) ） ? 采用延遲轉(zhuǎn)移 采用軟件進(jìn)行靜態(tài)指令調(diào)度 ? 加快短循環(huán)程序的處理 猜測(cè)法 i3 i2 i1 i i+1 i+2 i+3 i+4 p p+1 p+2 p+3 猜測(cè)路徑（轉(zhuǎn)移不成功路徑） 轉(zhuǎn)移成功路徑 轉(zhuǎn)移不成功分支 轉(zhuǎn)移 指令 具體分析條件轉(zhuǎn)移指令對(duì)流水線性能的影響 ? 對(duì)一條有 k個(gè)功能段的流水線，由于條件轉(zhuǎn)移指令的影響，在最壞情況下，每一次條件轉(zhuǎn)移將造成 k1個(gè)時(shí)鐘周期的 “ 斷流 ” ? 假設(shè)條件轉(zhuǎn)移指令在一般程序中所占的比例為 p，轉(zhuǎn)移成功的概率為 q，因此，對(duì)于一個(gè)由 n條指令組成的程序，在執(zhí)行這個(gè)程序指令的過程中，由于條件轉(zhuǎn)移需要額外增加的時(shí)鐘周期數(shù)： pqn(k1)Δt， 包括條件轉(zhuǎn)移指令在內(nèi)的 n條指令的總的執(zhí)行時(shí)間為 tknpqtkn D??D??? )1()1(T IFk? 有條件轉(zhuǎn)移影響的流水線的吞吐率： ? 當(dāng) n∞時(shí)， 有條件轉(zhuǎn)移影響的流水線的吞吐率： ? 由于條件轉(zhuǎn)移指令的影響，流水線吞吐率下降的百分比為： tknpqtknnD??D??? )1()1(TP IFtkpq D??? ))1(1(1TPIFM A X)1(1)1(D?????? ?kpqkpqTPTPTPM A XIFM A XM A X? 在典型的標(biāo)量類機(jī)器指令程序中，條件轉(zhuǎn)移指令占 20%，其中轉(zhuǎn)移成功的概率有約占其中的 60%。對(duì)于一條有 8個(gè)功能段的指令流水線，流水線的最大吞吐率要下降： ? 如果段數(shù)為 10，則下降： %46)18(** )18(** 8 ??? ??%52)110(** )110(** 10 ??? ??采取的措施 ? 延遲轉(zhuǎn)移技術(shù)和指令取消技術(shù) ? SUN： SPARC， HP： HPRISC， SGI： MIPS ? 靜態(tài)轉(zhuǎn)移預(yù)測(cè)技術(shù) ? TI:SuperSPARC ? 動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)移預(yù)測(cè)技術(shù) 流水機(jī)器的中斷處理 ? 中斷的出現(xiàn)概率比條件轉(zhuǎn)移的概率要低。 ? 處理中斷的主要問題：斷點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)的保護(hù)和恢復(fù)，而不是縮短流水線的斷流時(shí)間。 ? 不精確斷點(diǎn) ：無論指令 I在流水線的哪一段發(fā)生中斷，都不再允許尚未進(jìn)入流水線的后續(xù)指令再進(jìn)入，但已在流水線的所有指令仍繼續(xù)流動(dòng)到執(zhí)行完畢，然后才轉(zhuǎn)入中斷處理程序。 ? IBM 360/91 ? 不利于編程和程序的排錯(cuò) ? 精確斷點(diǎn) ：無論指令 I是在流水線中的哪一段響應(yīng)中斷，給中斷現(xiàn)場(chǎng)全都是對(duì)應(yīng) I的， I之后流入流水線內(nèi)的指令的原有現(xiàn)場(chǎng)都能保存和恢復(fù)。 ? 需設(shè)置很多后援寄存器 ? 控制邏輯比較復(fù)雜 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 不精確斷點(diǎn) 精確斷點(diǎn) 流水線處理機(jī)的中斷處理 相關(guān)問題 ? 相關(guān)（ correlation）：指在一段程序的相近指令之間有某種關(guān)系，這種關(guān)系可能影響指令的重疊執(zhí)行。 ? 數(shù)據(jù)相關(guān)：局部相關(guān) ? 控制相關(guān)：全局相關(guān) 數(shù)據(jù)相關(guān) ? 在執(zhí)行本條指令的過程中，如果用到的指令、操作數(shù)、變址偏移量等正好是前面指令的執(zhí)行結(jié)果，則必須等待前面的指令執(zhí)行完成，并把結(jié)果寫到主存或通用寄存器中之后，本條指令才能執(zhí)行。 ? 指令相關(guān) ? 主存操作數(shù)相關(guān) ? 通用寄存器相關(guān) ? 變址相關(guān) 控制相關(guān) ? 指由條件分支指令、轉(zhuǎn)子程序指令、終斷等引起的相關(guān)。 指令相關(guān) ? 第 k+1條指令本身的內(nèi)容取決于第 k條指令的執(zhí)行結(jié)果。 ? 解決 ：程序中不允許修改指令。 主存操作數(shù)相關(guān) ? 當(dāng)指令的執(zhí)行結(jié)果寫到主存儲(chǔ)器，所讀取的操作數(shù)也取自主存儲(chǔ)器時(shí)。 ? 解決 ：推后處理法 通用寄存器相關(guān) ? 在寄存器 寄存器型和寄存器 存儲(chǔ)器型指令的執(zhí)行過程中有可能發(fā)生通用寄存器數(shù)據(jù)相關(guān)。 ? 解決 ? 在通用寄存器和運(yùn)算器之間建立直接數(shù)據(jù)通路 ? 推后處理 ? 設(shè)置專用數(shù)據(jù)通路 變址相關(guān) ? 變址寄存器發(fā)生相關(guān)。 ? 解決 ? 推后分析 ? 設(shè)置專用通路 總結(jié)：數(shù)據(jù)相關(guān)的解決方法 ? 采用硬件或軟件的辦法盡量避免數(shù)據(jù)相關(guān)發(fā)生 ? 是在確保指令正確執(zhí)行的前提下，推后指令分析 ? 設(shè)置專用通路 轉(zhuǎn)移相關(guān) ? 無條件轉(zhuǎn)移 ? 一般條件轉(zhuǎn)移 ? 復(fù)合條件轉(zhuǎn)移 無條件轉(zhuǎn)移相關(guān) ? 一般能夠在指令分析器中就執(zhí)行完成。 ? 對(duì)程序執(zhí)行速度的影響很小。 分析 k 執(zhí)行 k 分析 k+1 取指令 L 分析 L 執(zhí)行 L 分析 L 執(zhí)行 L 分析 L+1 執(zhí)行 L+1 指令 L不在先行指令緩沖棧中： 指令 L在先行指令緩沖棧中： 一般條件轉(zhuǎn)移 ? 對(duì)程序執(zhí)行速度造成的影響很大。緩沖深度越深，影響越大。 分析 k 執(zhí)行 k 分析 k+1 分析 k+2 執(zhí)行 k+2 分析 k+1 分析 L 執(zhí)行 L 分析 k+1 取指令 L 分析 L 執(zhí)行 L 轉(zhuǎn)移不成功 成功， L在指緩棧中 成功， L不在指緩棧中 產(chǎn)生轉(zhuǎn)移條件 CC 根據(jù)轉(zhuǎn)移條件 CC判斷轉(zhuǎn)移是否成功 復(fù)合條件轉(zhuǎn)移 ? 本身是一條運(yùn)算指令，根據(jù)結(jié)果決定后轉(zhuǎn)移。 ? 影響比一般條件轉(zhuǎn)移指令要大。 分析 K 執(zhí)行 k 分析 K+1 執(zhí)行 k+1 分析 L 執(zhí)行 L 取指令 L 分析 L 執(zhí)行 L 轉(zhuǎn)移不成功