【文章內(nèi)容簡介】 設(shè)置相關(guān)直接通路，將運算結(jié)果經(jīng)相關(guān)直接通路直接送入所需部件。 任務(wù)在流水線中流動順序的安排和控制可以有兩種方式： （ 1） 同步流動方式： 讓任務(wù)（指令）流出流水線的順序保持與流入流水線的順序一致。 （ 2） 異步流動方式： 讓流出流水線的任務(wù)（指令）順序可以和流入流水線的順序步同。 異步流動方式帶來的新的相關(guān)： （ 1） “ 寫 寫 ” 相關(guān) 對同一單元要求在先的指令先寫入，在后的指令才能寫入的關(guān)聯(lián)稱為 “ 寫 —寫 ” 相關(guān)。 （ 2） “ 先讀后寫 ” 相關(guān) 對同一單元要求在先的指令先讀出，在后的指令才寫入的關(guān)聯(lián)稱為 “ 先讀后寫 ” 相關(guān)。 （ 3） “ 先寫后讀 ” 相關(guān) 對同一單元要求在先的指令先寫入，在后的指令才讀出的關(guān)聯(lián)稱為 “ 先寫后讀 ” 相關(guān)。 ? 解決方法： 推后后續(xù)指令和設(shè)置相關(guān)直接通路。 舉例： 第 142頁 IBM 360/91浮點執(zhí)行部件。 全局性相關(guān) 指的是已進入流水線的轉(zhuǎn)移指令（尤其是條件轉(zhuǎn)移指令）和后續(xù)指令之間的相關(guān)。 （ 1）猜測法 根據(jù)歷史猜測出現(xiàn)概率大的分支裝入指緩。 當(dāng)轉(zhuǎn)移的兩個分支概率不均等時，宜猜高概率分支。 采用猜測法時應(yīng)能保證猜錯時可恢復(fù)分支點的處原先的現(xiàn)場，一般有三種方法： ? 在機器沿猜測分支解釋時，應(yīng)當(dāng)與正常情況下的指令解釋不同。 IBM360/91采取對指令只譯碼和準(zhǔn)備好操作數(shù)，在轉(zhuǎn)移條件碼出現(xiàn)之前不運算。 ? 另一種方法時讓它運算完但不送回運算結(jié)果。 （早期使用的這兩種方法都不方便） ? 采用后援寄存器法。 一旦猜錯，就取出后援寄存器的內(nèi)容來恢復(fù)分支點的現(xiàn)場。 （ 2）加快和提前形成條件碼 不等指令執(zhí)行完成提前形成條件碼。 盡快、盡早獲得條件碼，以便提前知道流向哪個分支，會有利于流水機器簡化對條件轉(zhuǎn)移的處理。 兩個方面的措施： ? 加快單條指令內(nèi)部條件碼的形成，不等指令執(zhí)行完就提前形成反映運算結(jié)果的條件碼。 ? 在一段程序內(nèi)提前形成條件碼，這特別適合于循環(huán)型程序在判斷循環(huán)是否繼續(xù)時的轉(zhuǎn)移情況。 （ 3）采取延遲轉(zhuǎn)移 用軟件方法將轉(zhuǎn)移指令與其前面不相關(guān)的指令交換位置。 這是用軟件方法進行靜態(tài)指令調(diào)度的技術(shù)。 （ 4）加快短循環(huán)程序的處理 將長度小于指緩的循環(huán)程序一次性放入指緩，并暫停預(yù)取指令， 避免執(zhí)行循環(huán)時由于指令預(yù)取導(dǎo)致指緩中需循環(huán)執(zhí)行的指令被沖掉，減少了訪主存重復(fù)取指的次數(shù)； 或者讓循環(huán)出口端條件轉(zhuǎn)移指令恒猜循環(huán)分支，減少因條件分支造成流水線斷流的機會。 流水機器處理中斷主要是如何處理好斷點現(xiàn)場的保護和恢復(fù)，而不是如何縮短流水線的斷流時間。 “ 不精確斷點 ” 法： 不論指令 i在流水線的哪一段發(fā)生中斷，未進入流水線的后續(xù)指令不再進入，已在流水線的指令仍繼續(xù)流完，然后才轉(zhuǎn)入中斷處理程序。 “ 不精確斷點 ” 法不利于編程和程序的排錯。 “精確斷點 ” 法： 不論指令 i是在流水線中哪一段響應(yīng)中斷，給中斷處理程序的現(xiàn)場全都是對應(yīng) i的， i之后流入流水線的指令的原有現(xiàn)場都能恢復(fù)。 “ 精確斷點 ” 法 需設(shè)置很多后援寄存器，以保證流水線內(nèi)各條指令的原有現(xiàn)場都能保存和恢復(fù)。 （ 1）如果每拍向流水線送入一個新的任務(wù)，非線性流水線會出現(xiàn)多個任務(wù)爭用同一功能段的使用沖突現(xiàn)象。 流水線調(diào)度要解決的問題： 究竟間隔幾拍送入下一個任務(wù)，才既不發(fā)生功能段使用沖突，又能使流水線有較高的吞吐率和效率。 為了對流水線的任務(wù)進行優(yōu)化調(diào)度和控制，1971年 二維的預(yù)約表（ Reservation Table)。 ? 如果有一個由 K段組成的單功能非線性流水線，每個任務(wù)通過流水線需要 N拍。利用類似畫時空圖的方法可以得到該任務(wù)使用流水線各段的時間關(guān)系表（即預(yù)約表）。 ? 其中拍號 n為任務(wù)經(jīng)過流水線的時鐘節(jié)拍號。如果任務(wù)再第 n拍要用到第 k段就在相應(yīng)第 n列和第 k行的交點處用 √ 表示。現(xiàn)設(shè)流水線由 5段組成，段號 k分別為 1~5，任務(wù)經(jīng)過流水線總共需 9拍，其預(yù)約表如下圖所示： 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 √ √ 2 √ √ √ 3 √ 4 √ √ 5 √ √ 拍號 n 段號k （ a）單功能流水線預(yù)約表舉例 7 10110001 10110111 10111101 10111011 10111111 初始狀態(tài) 7 2 7 2 4 3 7 4 3 7 （ b）單功能流水線 的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖 圖 流水線預(yù)約表及狀態(tài)圖舉例 ? 數(shù)格子的游戲，如上圖 （ a），分別數(shù)出每行中兩個打勾之間的間隔數(shù)，然后把所有行的間隔數(shù)構(gòu)成一個間隔集合，就是 延遲禁止表 了。 ? 沖突向量（ CN1… Ci… C2C1) 中第 i位的狀態(tài)表示與當(dāng)時相隔 i拍給流水線送入后續(xù)任務(wù)是否會發(fā)生功能段沖突。 如果不會發(fā)生沖突，令該位為“ 0”，表示允許送入；否則讓該位為 “ 1”，表示禁止送入。 ? 沖突向量取 N1位是因為經(jīng) N拍后，任務(wù)已流出流水線不會與后續(xù)的任務(wù)爭用流水線功能段了。 ? 只要按流水線狀態(tài)圖中由初始狀態(tài)出發(fā)，能構(gòu)成一種間隔拍數(shù)呈周期性重復(fù)的方案來進行流水線的調(diào)度，都不會發(fā)生功能段使用沖突。要想找出一種最佳的調(diào)度方案使流水線的吞吐率最高，只要計算出每種調(diào)度方案的平均間隔拍數(shù)，從中找出最小者即可。 ? 由下表可見，采用先隔 3拍后隔 4拍輪流給流水線送入任務(wù)的調(diào)度方案使最佳的，平均每隔 個任務(wù)，吞吐率最高。盡管（ 4， 3）調(diào)度方案平均間隔拍數(shù)也是 ，但若實際流入任務(wù)數(shù)不是循環(huán)所需任務(wù)數(shù)的整數(shù)倍時，其實際吞吐率相對會低一些，所以不作為最佳調(diào)度方案。 這是一種不等間隔的調(diào)度策略，比起相等間隔的調(diào)度策略在控制上要復(fù)雜一些。 調(diào)度方案 平均間隔拍數(shù) （ 2， 2， 7） （ 2， 7） （ 3， 4） （ 4， 3） （ 3， 4， 7） （ 3， 7） （ 4， 3， 7） （ 4， 7） （ 7） 各種調(diào)度方案的平均間隔拍數(shù)的例子 （ 2）預(yù)約表及流水線調(diào)度過程 根據(jù)預(yù)約表寫出延遲禁止表 F； 由延遲禁止表形成沖突向量 C； 由所有的向量圖畫出狀態(tài)圖； 由狀態(tài)圖形成最佳調(diào)度方案 。 練習(xí)： P158習(xí)題 5 .9 延遲禁止表 F={1， 3， 4， 8}（第一行間隔 8，第二行間隔 1，第三行間隔 1， 3， 4，然后間隔都為 1，合并） 沖突向量為 C： 10001101（寫一個 8位兩進制數(shù)，根據(jù)禁止表倒著寫） 畫出狀態(tài)圖 （如圖，當(dāng)?shù)诙€任務(wù)在第二拍進入時，沖突向量 C1為 10101111，又分為兩種情況：當(dāng)?shù)谌齻€任務(wù)在第 5拍進入時，沖突向量 C2等于 C0，當(dāng)?shù)谌齻€任務(wù)在第 7拍進入時，沖突向量 C2也等于 C0），這時你就可以畫出最右邊的三條線。以此類推，畫出所有連線，這題倒也簡單，一共有兩個沖突向量，比例子好多了。） 寫出各種方案的平均延遲表： （ 2， 7） (2,5) (6,7) (6,5) (5)5 (7)7 {從第一個向量出發(fā)，找出所有回路，把回路上的拍數(shù)按順序?qū)懴聛?，并求出這些拍數(shù)的平均數(shù) } 最小延遲調(diào)度方案為（ 2， 5） 根據(jù)方案畫出時空圖，求效率和吞吐量（這是上節(jié)的內(nèi)容了，大家自己做做吧） 向量的流水處理與向量流水處理機 向量的流水處理 不同的向量處理方式會對流水處理機的結(jié)構(gòu)、組成提出不同的要求，而結(jié)構(gòu)和組成不同的向量處理機反過來也會要求采用不同的向量流水處理方式。 舉例： 計算 D=A*(B+C)，其中 A、 B、 C、 D都是有N個元素的向量。 ? 橫向（水平）處理方式： 先求 K=B+C,再求 A*K，然后重復(fù)； 采用逐個求 D向量元素的方法，即訪存取 ai、 bi、 ci元素求 di,再取 ai+ bi+ ci+1求di+1,然后重復(fù)。 宜于在標(biāo)量處理機上用循環(huán)程序?qū)崿F(xiàn)，但卻難以使流水線連續(xù)流動。 ? 縱向（垂直）處理方式： 先求所有的 K=（ B+C），再求所有的 A*K。 即按 bi+ci ki（ i從 1到 N），然后再 ki*ai di（ i從 1到 N)。 在 ASC流水機上，將上述向量運算由橫向處理改為縱向處理，就是向量的流水處理，流水線就能每拍流出一個結(jié)果元素。 ? 分組縱