計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第15講(參考版)
2024-08-12 14:04本頁面
【正文】 SWAP IF 取值 SWAP 交換雙發(fā)射指令、轉(zhuǎn)移預(yù)測 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 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 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 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 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： 。 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。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)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。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。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)。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。 主要運(yùn)算部件有整數(shù)部件和浮點(diǎn)部件 譯碼數(shù)據(jù)Cache標(biāo)志 標(biāo)志指令Cache譯碼存入緩沖／對(duì)準(zhǔn)器IBUS寫入緩沖器數(shù)據(jù)標(biāo)志地址DBUS 系統(tǒng)控制浮點(diǎn)存儲(chǔ)管理部件寄存器堆指令快表浮點(diǎn)流水線專用通路指令 Cache控制 快表 T LB浮點(diǎn)控制寄存器 DVAIVA浮點(diǎn)乘法部件 地址部件浮點(diǎn)除法部件數(shù)據(jù) Cache控制 程序計(jì)數(shù)器浮點(diǎn)加法部件流水線通用寄存器堆轉(zhuǎn)換部件控制算術(shù)邏輯部件 ALU求平方根部件 裝入對(duì)準(zhǔn)器 / 存入驅(qū)動(dòng)器整數(shù)乘法／除法部件MIPS R4000 超流水線處理機(jī)結(jié)構(gòu)指令 Cache MIPS R4000處理機(jī)的流水線操作 IF：取第一條指令 IS：取第二條指令 RF：讀寄存器堆，指令譯碼 EX：執(zhí)行指令 DF：取第一個(gè)數(shù)據(jù) DS：取第二個(gè)數(shù)據(jù) TC：數(shù)據(jù)標(biāo)志 校驗(yàn)； WB：寫回結(jié)果 指令 譯碼 讀寄 存器堆 ALU 數(shù)據(jù) Cache 標(biāo)志檢驗(yàn) 寄存 器堆 IF IS RF EX DF DS WB TC IF 流水線周期 當(dāng)前 CPU周期 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 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。因此有超流水線的另外一種定義：有 8個(gè)或 8個(gè)以上流水段的處理機(jī)稱為超流水線處理機(jī) IF 時(shí)鐘 周期 指令 I1 I2 I3 ID EX WR 1 2 3 4 5 6 每個(gè)時(shí)鐘周期分時(shí)發(fā)送 3條指令的超流水線 I4 I5 I6 IF ID EX WR 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 典型處理機(jī)結(jié)構(gòu) MIPS R4000處理機(jī)每個(gè)時(shí)鐘周期包含兩個(gè)流水段，是一種很標(biāo)準(zhǔn)的超流水線處理
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