計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第15講-wenkub.com
2025-07-29 14:04 本頁(yè)面
【正文】 因此， Alpha 21064處理機(jī)是超標(biāo)量超流水線(xiàn)處理機(jī)。 指令 Ca che （ 8KB ）轉(zhuǎn)移歷史表區(qū)號(hào) 指令 地址總線(xiàn)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(xiàn)邏輯單元 指令快表除法器 1 2 8 位流水線(xiàn)控制定點(diǎn)寄存器堆（ 32 64 ）浮點(diǎn)寄存器堆（ 32 64 ）ABOX總線(xiàn)接口部外部 Ca che寫(xiě)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(xiě)結(jié)果 1個(gè)流水段。在 EBOX內(nèi)還有多條專(zhuān)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。 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。指令流水線(xiàn)有 8個(gè)流水段 有兩個(gè) Cache， 指令 Cache和數(shù)據(jù) Cache的容量各 8KB， 每個(gè)時(shí)鐘周期可以訪(fǎng)問(wèn)Cache兩次，因此在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)可以從指令 Cache中讀出兩條指令，從數(shù)據(jù) Cache中讀出或?qū)懭雰蓚€(gè)數(shù)據(jù)。 4個(gè)至 16個(gè)操作部件 超標(biāo)量處理機(jī)的指令級(jí)并行度： 1＜ILP＜ m； m為每個(gè)周期發(fā)射的指令條數(shù)。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。 k段流水 線(xiàn)基準(zhǔn)標(biāo) 量處理機(jī) m度 超標(biāo)量 n度超 流水線(xiàn) (m,n)度 超標(biāo)量 超流水 機(jī)器類(lèi)型 機(jī)器流水 線(xiàn)周期 同時(shí)發(fā)射 指令條數(shù) 指令發(fā)射 等待時(shí)間 指令級(jí)并 行度 ILP 1個(gè)時(shí) 鐘周期 1條 1個(gè)時(shí) 鐘周期 1 1 m 1 m 1/n 1 1/n n 1/n m 1/n m?n 超標(biāo)量、超流水、超標(biāo)量超流水處理機(jī)的主要性能 基本結(jié)構(gòu) 一般流水線(xiàn)處理機(jī)： 一條指令流水線(xiàn)， 一個(gè)多功能操作部件，每個(gè)時(shí)鐘周期平均執(zhí)行指令的條數(shù)小于 1。 例 ： 用一條 4段浮點(diǎn)加法器流水線(xiàn)求 8個(gè)浮點(diǎn)數(shù)的和： Z＝ A＋ B＋ C＋ D＋ E＋ F＋ G＋ H tnknTP???? )1( 1????nknkS1??? nknE解： Z = [(A+B) + (C+D)] + [(E+F) + (G+H)] 1 時(shí)間 空間 2 3 求階差 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7 對(duì)階 尾數(shù)加 規(guī)格化 加數(shù) A C E G A+B E+F B D F H C+D G+H A+B+C+D E+F+G+H 結(jié)果 A+B C+D E+F G+H A+B+C+D E+F+G+H 7個(gè)浮點(diǎn)加法共用了 15個(gè)時(shí)鐘周期。 動(dòng)態(tài)流水線(xiàn)： 在同一段時(shí)間內(nèi)，多功能流水線(xiàn)中的各段可以按照不同的方式連接，同時(shí)執(zhí)行多種功能。 一種指令流水線(xiàn) 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(gè)流水段，等于及大于 8個(gè)流水段的稱(chēng)為超流水線(xiàn)處理機(jī) 流水線(xiàn)的時(shí)空?qǐng)D 一條簡(jiǎn)單流水線(xiàn)的時(shí)空?qǐng)D： 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(shí)間 空間 0 t1 t2 t3 t4 t5 一個(gè)浮點(diǎn)加法器流水線(xiàn)的時(shí)空?qǐng)D (由求階差、對(duì)階、尾數(shù)加和規(guī)格化 4個(gè)流水段組成 )： ED1 時(shí)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(duì)階 ED： 求階差 流水線(xiàn)的主要特點(diǎn) 只有連續(xù)提供同類(lèi)任務(wù)才能充分發(fā)揮流水線(xiàn)的效率： 對(duì)于指令流水線(xiàn)：要盡量減少因條件分支造成的“斷流” 對(duì)于操作部件：主要通過(guò)編譯技術(shù)，盡量提供連續(xù)的同類(lèi)操作 在流水線(xiàn)的每一個(gè)流水線(xiàn)段中都要設(shè)置一個(gè)流水鎖存器 時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)：流水線(xiàn)的執(zhí)行時(shí)間加長(zhǎng) 是流水線(xiàn)中需要增加的主要硬件之一 各流水段的時(shí)間應(yīng)盡量相等 流水線(xiàn)處理機(jī)的基本時(shí)鐘周期等于時(shí)間最長(zhǎng)的流水段的時(shí)間長(zhǎng)度 流水線(xiàn)需要有“裝入時(shí)間”和“排空時(shí)間” 流水線(xiàn)的分類(lèi) 線(xiàn)性流水線(xiàn)與非線(xiàn)性流水線(xiàn) 流水線(xiàn)的各個(gè)流水段之間是否有反饋信號(hào) 線(xiàn)性流水線(xiàn) (Linear Pipelining) 每個(gè)流水段都流過(guò)一次，且僅流過(guò)一次 非線(xiàn)性流水線(xiàn) (Nonlinear Pipelining) 在流水線(xiàn)的某些流水段之間有反饋回路或前饋回路 線(xiàn)性流水線(xiàn)能夠用流水線(xiàn)連接圖唯一表示 非線(xiàn)性流水線(xiàn)必須用流水線(xiàn)連接圖流水線(xiàn)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(jiǎn)單的非線(xiàn)性流水線(xiàn) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) （第 17講） 按照流水線(xiàn)的級(jí)別來(lái)分 處理機(jī)級(jí)流水線(xiàn) , 又稱(chēng)為指令流水線(xiàn) (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(xiàn) 先行指令 緩沖棧 輸入 先行控制方式 中的指令流水線(xiàn) 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(xiě)數(shù)棧 輸出 執(zhí)行 寫(xiě)結(jié)果 部件級(jí)流水線(xiàn) （操作流水線(xiàn)），如浮點(diǎn)加法器流水線(xiàn) 處理機(jī)之間的流水線(xiàn)稱(chēng)為 宏流水線(xiàn) (Macro Pipelining) 每個(gè)處理機(jī)對(duì)同一個(gè)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(duì)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(xiàn)與多功能流水線(xiàn) 單功能流水線(xiàn)： 只能完成一種固定功能的流水線(xiàn) Cray1計(jì)算機(jī)中有 12條； YH1計(jì)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(xiàn)； PentiumⅢ 有三條指令流水線(xiàn)，其中兩條定點(diǎn)指令流水線(xiàn)，一條浮點(diǎn)指令流水線(xiàn)。 不增加或只增加少量硬件就能使運(yùn)算速度提高幾倍 流水線(xiàn)處理機(jī) 超流水線(xiàn)處理機(jī) 流水線(xiàn)工作原理 簡(jiǎn)單流水線(xiàn) 流水線(xiàn)的每一個(gè)階段稱(chēng)為流水步、流水步驟、流水段、流水線(xiàn)階段、流水功能段、功能段、流水級(jí)、流水節(jié)拍等。 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)。 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(xiě)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(shí)進(jìn)行。 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)。 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(xiě)到通用寄
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