【正文】 pleData）簡稱 SIMD。向量運算通常是對多組數(shù)據成批進行同樣運算，所得結果也是一組數(shù)據。國產的 銀河計算機 就是向量 機普通的計算機所做的計算，例如加減乘除，只能對一組數(shù)據進行操作，被稱為標量運算。 15 VLIW 的主要缺陷： （ 1）需要智能編譯器的支持； （ 2）軟件兼容性差； （ 3）軟件的可移植性差。 VLIW 處理機的優(yōu)點： VLIW 機對超標量機在以下幾個方面做了改進： （ 1） VLIW 指令中并行操作的同步全在編譯時間完成，這可使它比超標量處理機有更高的處理機效率； （ 2）當短格式用戶代碼中有高的可用 ILP 時， VLIW 程序的代碼長度要短得多；這就意味著經編譯的 VLIW 程序有短得多的執(zhí)行時間。 圖 超長指令字（ VLIW）的流水執(zhí)行 VLIW 機的工作很像超標量機，但有三點區(qū)別： （ 1） VLIW 指令譯碼比超標量指令更容易； （ 2）當超標量機可用的指令級并行性比由 VLIW 機可開發(fā)的相應值小時，超標量機的代碼密度更為緊湊； （ 3）超標量機可做到和很多非并行機系列的目標代碼兼容。由于編譯器需要考慮數(shù)據相關性，避免沖突，并且盡可能利用并行，完成指令調度，所以硬件結構較簡單。那些指令可以并行執(zhí)行是由 編譯器 來選擇的。它有點類似于超級標量，是一條指令來實現(xiàn)多個操作的 并行執(zhí)行 ，之所以放到一條指令是為了減少內存訪問。解偏相關有 2 種方法：后退方法 14 和路徑的方法；解決全球相互關系有三種方法：猜測轉移，加快推進形成條件代碼，加快短循環(huán)程序處理。 流水線實現(xiàn)中的問題及解決 : 這是一個問題的連續(xù)流動，這似乎并沒有流下，從而獲得更高的效率。超級標量機主要是 借助硬件資源重復 (例如有兩套 譯碼器 和 ALU等 )來實現(xiàn)空間的并行操作?？梢允沟?cpu的 IPC(InstructionPerClock)，從而提高 cpu 處理速度。在單流水線結構中，指令雖然能夠重疊執(zhí)行，但仍然是順序的 ,每個周期只能發(fā)射 (issue)或退休 (retire)一條指令。將一條指令分成若干個周期處理以達到多條指令重疊處理 ,從而提高 cpu 部件利用率的技術叫做標量流水技術。它通過內裝多條流水 線來同時執(zhí)行多個處理。超純水機的特點是在所有的功能單位只使用水，并具有更高的時鐘頻率和更深的水的深度 [4]。在他稀疏的水，增加的數(shù)量和提高頻率，從而在每個機器周期完成一個或 2 個浮點操作。教科書上用于教學的經典 MIPS 只有 5 級流水。頻率高了，當流水線開足馬力運行時平均每個周期完成一條指令（單發(fā)射情況下），這 樣 cpu 處理得速度就提高了。每個周期所做的操作越少，需要的時間就越短，時間越短，頻率就可以提得越高。 ?????????????????????jmiimiintntmtnm)1(1121 ???? ?mS p /??? 流水解釋所花的時間流水線的段數(shù) 間順序串行解釋所花的時? 13 第 2 章 現(xiàn)代 RISC 中的流水線技術 超流水線技術 超級流水線（ SuperPipeline)又叫做深度流水線，它是提高 cpu 速度通常采取的一種技術。比如， A 運算必須得到 B 運算的結果，但是， B 運算還沒有開始， A 運算動作就必須等待，直到 B 運算完成，兩次運算不能同時執(zhí)行。例如，假如在 指令流水線 中，如果數(shù)據和指令是放在同一個 儲存器 中，并且訪問接口也只有一個，那么，兩條指令就會爭用儲存器；在一些算數(shù)流水線中，有些運算會同時訪問一個運算部件。 圖 m 段指令流水線 (2)設指令流水線由 m 段組成，但各段經過的時間 it? 不相等，其中“瓶頸”段時間為 jt? ，在不發(fā)生任何相關的前提下完成 n 條指令的解釋 由于流水線的效率實 際上就是 n 個任務占用的時空區(qū)和 m 個段總的時空區(qū)面積之比，因此，整個流水線的效率為： ??????? miji tntnTP1)1(??????????? mijimiiptnttnS11)1( 12 比較各種公式，可以得出如下三個結論： 流水解釋所花的時間 流出的結果數(shù)流水解釋的指令總數(shù)或?TP 流水解釋所花的時間 間順序串行解釋所花的時?pS 影響因素 流水線處理方式是一種時間重疊 并行處理 的處理技術，具體地說，就是流水線可以在同一個時間啟動 2 個或以上的操作，借此來提高性能。由于流水線需要有建立時間和排空時間，在連續(xù)完成 n 個任務的時間里，各段并不是滿負荷工作的，因此流水線的效率一定小于 1。 (2)設指令流水線由 m 段組成，但各段經過的時間 it? 不相等，其中“瓶頸”段時間為 jt? ，在不發(fā)生任何相關的前提下完成 n 條指令的解釋。 2）流水線的加速比為： 由以上表達式可以看出，當 nm 時，流水線的加速比 Sp 才接近于流水線的段數(shù) m，也就是說，當流水線各段時間都一樣時，其最大加速比等于流水線的段數(shù) m。 加速比是指流水線工作相對于等效的非流水線順序串行工作方式，速度提高的比值。消除瓶頸子過程的方法有兩種： (1)將瓶頸子過程再細分； (2)重復設置多套瓶頸段并聯(lián)。我們把流水線中經過時間最長的子過程稱為“瓶頸”子過程。如圖 所是一個簡單流水線的過程。對流水線而言，吞吐率就是單位時間內能流出的任務數(shù)或能流出的結果數(shù)。 流水線的主要性能 吞吐率 吞吐率指單位時間內流水線能處理的指令條數(shù)或能輸出的數(shù)據量。 (2)轉移預測技術。 解決控制相關的方法主要有以下兩種： (1)延遲轉移技術。這里所指相關單元既包括寄存器也包括存儲單元。 (3)寫寫相關 在流水解釋指令時，若是按指令順序逐條順序發(fā)射順序解釋，則在解決數(shù)據相關時只需要考慮先寫后讀相關，而不必考慮先讀后寫相關和寫寫相關；在指令亂序解釋時，除了考慮先寫后讀相關外，還必須考慮先讀后寫相關和寫寫相關。 (1)先寫后讀相關 如果指令 I1到指令 I2存在執(zhí)行通路，即 I1執(zhí)行完后，一定可以執(zhí)行 I2，而且如果 I1的輸出（寄存器或賦值變量）與 I2的某一個輸入（用作操作數(shù)）相同，則稱指令 I2與指令I1存在先寫后讀相關，用“ 21 II ? ”表示。 數(shù)據相關 數(shù)據相關是指由于相鄰的兩條或多條指令使用了相同的數(shù)據地址（包括寄存器地址和存儲單元地址）而發(fā)生的關聯(lián)，它用來說明指令間的有序關系。 (4)在 CPU 內增設指令 Cache。 (2)讓操作數(shù)和指令分別存放于兩個獨立編址且可同時訪問的主存儲器中。 假設在程序次序中指令 I2緊跟指令 I1，如果兩條指令之間存在資源相關，則用“ 21 II ? ”表示。 如果不能較 好的處理流水線相關問題，就可能影響流水線的性能，甚至使程序運行產生錯誤的結果 [3]。 第三種是控制相關， 它是指流水線中的分支指 令或者其他需要改寫 PC 的指令造成的相關。 流水線中的相關可以分為以下三種類型： 第一種是 資源 相關，是指令在重疊執(zhí)行的過程中，硬件資源滿足不了指令重疊執(zhí)行的要求， 發(fā)生硬件資源沖突而產生的相關。 （ 2）非線性流水線：帶有反饋回路的流 水線。 X+Y=Z 每一個代表一維數(shù)據。 按處理的數(shù)據類型分類： （ 1）標量流水線：一般數(shù)據。 按 連接的方式分類： （ 1）靜態(tài)流水線：同一時間內，多功能結構只能按一種功能的連接方式工作。 按完成的功能分類： （ 1）單功能流水線：只完成一種 如乘法或 浮點運算 等，多用于 數(shù)字信號處理器 （ DSP），各處理器可并行完成各自的功能，加快整機處理速度。 6 （ 2）指令級：將一條指令執(zhí)行過程分為多個階段。 流水線的具體分類 流水線功能繁雜，種類也非常多；如果按照處理級別來分類，流水線可以有操作部件級、指令級和 處理機 級；如果按照流水線可以完成的動作的數(shù)量來分類，又可以分為單功能和多功能流水線；如果按照流水線內部的功能部件的連接方式來分類，則有線性流水線和非線性流水線；按照可處理對象來分類，還可以有標量流水線和向量流水線。從縱坐標方向看 , 在同一個時間段內有多的功能段在 同時工作 , 例如 , 在第二個時間段期間 , 規(guī)格化部件在做第 1 個任務的第 2 個子任務的同時 , 也在做第 2 個任務的第 1 個子任 務。 從圖 的流水線時空圖中可以看出各個任務在流水線的各段中流動的過程?？v坐標表示空間 , 即流水線的各個子過程。 圖 描述流水線工作過程的時空圖 取指令 k+2 分析 k+2 執(zhí)行 k+2 5 在時空圖中 , 橫坐標表示時間 , 也就是輸入到流水線中的各個任務在流水線中所經過的時間。這樣顯然可加速一段程序的運行過程。 簡單地說 , 流水線技術是一種將每條指令分解為多步 , 并讓各步操作重疊 , 從而實現(xiàn)幾條指令并行處理 的技術。在理想情況下 , 各流水線所需要的 時間是相等的 , 流水線填滿后每隔△ t 時間就會有一個結果流出流水線。 在流水線的每一個功能部件的后面都要有一個緩沖寄存器 , 用于保存本段的執(zhí)行結果。因此 , 流水線實際上是把一個大的功能部件分解為多個獨立的功能部件 , 并依靠多個功能部件并行 工作來縮短程序的執(zhí)行時間。在處理機采用流水線方式與采用傳統(tǒng)的串行方式相比 , 具有如下特點 : 在流水線中處理的必須是連續(xù)任務 , 只有連續(xù)不斷地提供任務才能充分發(fā)揮流水線的效率。顯然，重疊的解釋方式和不能加快指令來實現(xiàn)的，但可以加速相鄰的指令和程序的解釋 [2]。指令的重疊解釋方法是 指，在解釋的指令操作完成之前，開始解釋鉀。教學分析指指令的操作碼進行譯碼，解決和地址字段地址操作數(shù)的真正形成，這是地址讀取操作，但準備取下一條指令是預先形成的下一條指令的地址。 指令重疊 一個指令執(zhí)行過程可以分為取指令，類型和執(zhí)行一三個過程（圖 ）?！傲鳌笨梢员灰暈椤爸丿B”的延伸。水是一個并行或并行嵌入計算機系統(tǒng)中的一種形式。通常使用的重疊，即在任何時間，命令解析單元和指令執(zhí)行部只有相鄰指令重疊的解釋。雖然這種方法的優(yōu)點是控制簡單但速度上不去，利用率低的機器零件。 流水線技術的指揮控制方法有三種：序列的方法，重疊，運行模式。 如果指令的執(zhí)行過程可以采用流水線，那么稱為指令流水線 [1]。 計算機各個部分幾乎都可以采用流水線技術，運算器中的操作部件，如浮點加法器、浮點乘法器等可以采用流水線，稱為操作部件流水線。流水線技術是一種非常經濟、對提高計算機的運算速度非常有效的技術。 流水線概念 計算機中的流水線是把一個重復的過程分解為若干個子過程，每個子過程與其他子過程并行進行。 CPU 的工作也可以大致分為指令的獲取、解碼、運算和結果的寫入四個步驟，采用流水線設計之后，指令（好比待裝配的汽車）就可以連續(xù)不斷地進行處理。之后的每一輛汽車都是在前一輛沖壓完畢后立刻進入沖壓工序，這樣在 后續(xù)生產中就能夠保證四個工人一直處于運行狀態(tài)，不會造成人員的閑置。未采用流水線的原始制造方式，同一時刻只有一輛汽車在裝配。采用流水線的制造方式，同一時刻四輛汽車 在裝配。先以汽車裝配為例來解釋流水線的工作方式。他通過提高各流水部件的利用率提高指令的平均執(zhí)行速度 ， 在 CPU 流水線中 ,有一些稱為沖突的情形 , 他使得指令流中下一條指令無法在設計的時鐘周期內執(zhí)行 ,這些沖突將會降低流水線可能獲得的理想性 關鍵字 ：流水線技術； RISC；中斷處理；流水線調度；指令流水線設計； 2 第 1 章 流水線簡介 流水線產生背景 借鑒了工業(yè)流水線制造的思想，現(xiàn)代 CPU 也采用了流水線設計。 這些不同的功能部件同時處理不同指令的 同子過程 。最后主要介紹了指令流水線設計，包括流水線理想設計、指令流水線、流水線處理器設計等。同時對現(xiàn)代 RISC 中的流水線技術進行了多方面介紹。 0 流水線設計中的關鍵技術研究 .................................................................................................................. 1 摘要 ......................................................................................................................................................... 1 第 1 章 流水線簡介 .................................................................................................................................. 2 流水線產生背景 .........................