計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第15講-資料下載頁
2025-08-01 14:04本頁面
【正文】 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 RF EX DF DS TC WB 主時(shí) 鐘 周期 MIPS R4000正常指令流水線工作時(shí)序 如果在 LOAD指令之后的兩條指令中，任何一條指令要在它的 EX流水級(jí)使用這個(gè)數(shù)據(jù)，則指令流水線要暫停一個(gè)時(shí)鐘周期 采用順序發(fā)射方式 暫停 IF IS RF EX DF DS TC WB MIPS R4000正常指令流水線工作時(shí)序 IS RF EX DF DS TC WB RF EX DF DS TC WB EX DF DS TC WB EX DF DS TC WB DF DS TC WB IF IS RF I1 I2 I3 I4 I5 I6 運(yùn)行 運(yùn)行 Load指令 使用 Load數(shù)據(jù) 超流水線處理機(jī)性能 指令級(jí)并行度為 (1,n)的超流水線處理機(jī)，執(zhí)行 N條指令所的時(shí)間為： 超流水線處理機(jī)相對(duì)于單流水線普通標(biāo)量處理機(jī)的加速比為： tnknT N ??? ? )(),( 11tnNktNknTTnS????????)1()1(),1()1,1(),(1即： 超流水線處理機(jī)的加速比的最大值為：S(1,n)MAX = n 1)1(),1(?????NnkNknnS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)量超流水線處理機(jī) 把超標(biāo)量與超流水線技術(shù)結(jié)合在一起，就成為超標(biāo)量超流水線處理機(jī) 指令執(zhí)行時(shí)序 典型處理機(jī)結(jié)構(gòu) 超標(biāo)量超流水線處理機(jī)性能 三種指令級(jí)并行性處理機(jī)性能比較 指令執(zhí)行時(shí)序 超標(biāo)量超流水線處理機(jī)在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)分時(shí)發(fā)射指令 n次，每次同時(shí)發(fā)射指令 m條，每個(gè)時(shí)鐘周期總共發(fā)射指令 m ? n條。 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)量超流水線結(jié)構(gòu)。主要由四個(gè)功能部件和兩個(gè) Cache組成：整數(shù)部件 EBOX、 浮點(diǎn)部件 FBOX、 地址部件 ABOX和中央控制部件 IBOX。 中央控制部件 IBOX可以同時(shí)從指令Cache中讀入兩條指令，同時(shí)對(duì)讀入的兩條指令進(jìn)行譯碼，并且對(duì)這兩條指令作資源沖突檢測(cè)，進(jìn)行數(shù)據(jù)相關(guān)性和控制相關(guān)性分析。如果資源和相 關(guān)性允許， IBOX就把兩條指令同時(shí)發(fā)射給 EBOX、 ABOX和 FBOX三個(gè)指令執(zhí)行部件中的兩個(gè)。 指令流水線 采用順序發(fā)射亂序完成的控制方式。在指令 Cache中有一個(gè)轉(zhuǎn)移歷史表，實(shí)現(xiàn)條件轉(zhuǎn)移的動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)。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。 Alpha 21064處理機(jī)共有三條指令流水線 整數(shù)操作流水線和訪問存儲(chǔ)器流水線分為 7個(gè)流水段，其中，取指令和分 析指令為 4個(gè)流水段，運(yùn)算 2個(gè)流水段，寫結(jié)果 1個(gè)流水段。浮點(diǎn)操作流水線分為 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)置由專用數(shù)據(jù)通路。 指令 Ca che （ 8KB ）轉(zhuǎn)移歷史表區(qū)號(hào) 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(cè)加法器移位器PC 計(jì)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(hào) 數(shù)據(jù)Alpha 21064 處理機(jī)結(jié)構(gòu)除法器 析指令為 4個(gè)流水段，運(yùn)算 2個(gè)流水段，寫結(jié)果 1個(gè)流水段。浮點(diǎn)操作流水線分為 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)置由專用數(shù)據(jù)通路。 Alpha 21064處理機(jī)的 三條指令流水線的平均段數(shù)為 8段 ，每個(gè)時(shí)鐘周期發(fā)射兩條指令。因此， Alpha 21064處理機(jī)是超標(biāo)量超流水線處理機(jī)。 SWAP IF 取值 SWAP 交換雙發(fā)射指令、轉(zhuǎn)移預(yù)測(cè) I0 指令譯碼 I1 訪問通用寄存器堆，發(fā)射校驗(yàn) A1 計(jì)算周期 1， IBOX計(jì)算新的 PC值 A2 計(jì)算周期 2，查指令快表 WR 寫整數(shù)寄存器堆，指令 Cache命中檢測(cè) 1 7個(gè)流水段的整數(shù)操作流水線 IF I0 I1 A0 A1 WR 2 3 4 5 6 0 SWAP IF 取值 SWAP 交換雙發(fā)射指令、轉(zhuǎn)移預(yù)測(cè) I0 指令譯碼 I1 訪問通用寄存器堆，發(fā)射校驗(yàn) AC ABOX計(jì)算有效數(shù)據(jù)地址 TB 查數(shù)據(jù)快表 HM 寫讀數(shù)緩沖棧，數(shù)據(jù) Cache命中 / 不命中檢測(cè) 1 7個(gè)流水段的訪問存儲(chǔ)器流水線 IF I0 I1 AC TB HM 2 3 4 5 6 0 SWAP IF 取值 SWAP 交換雙發(fā)射指令、轉(zhuǎn)移預(yù)測(cè) I0 指令譯碼 I1 訪問通用寄存器堆，發(fā)射校驗(yàn) F1F5 浮點(diǎn)計(jì)算流水線 FWR 寫回浮點(diǎn)寄存器堆 1 10個(gè)流水段的浮點(diǎn)操作流水線 IF I0 I1 F1 F2 FWR 2 3 4 5 6 0 F3 F4 F5 7 8 9 超標(biāo)量超流水線處理機(jī)性能 指令級(jí)并行度為 (m,n)的超標(biāo)量超流水線處理機(jī)，連續(xù)執(zhí)行 N條指令所需要的時(shí)間為： 超標(biāo)量超流水線處理機(jī)相對(duì)于單流水線標(biāo)量處理機(jī)的加速比為： T m n k N mm n t( , ) ( )? ? ?? ?tmnmNktNknmSSnmS????????)()1(),()1,1(),( 在理想情況下，超標(biāo)量超流水線處理機(jī)加速比的最大值為： S(m, n)MAX＝ m n mNknmNknmnmS????????? )1(),(本 章 重 點(diǎn) 指令的重疊執(zhí)行方式及時(shí)空?qǐng)D表示方法 線性流水線的性能分析及計(jì)算 超標(biāo)量處理機(jī)的指令執(zhí)行時(shí)序及性能 超流水線處理機(jī)的指令執(zhí)行時(shí)序及性能 超標(biāo)量超流水線處理機(jī)的指令執(zhí)行時(shí)序 及性能 練習(xí)題：
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