計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(第八講)-文庫(kù)吧資料
2025-01-25 01:11本頁(yè)面
【正文】 ? 陸游；沈園 ? 城上斜陽(yáng)畫(huà)角哀， ? 沈園非復(fù)舊池臺(tái)。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) (第八講 ) 廈門(mén)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)系 陸達(dá) 2022年 12月 13日 第五章 標(biāo)量處理機(jī) 超流水線(xiàn)處理機(jī) ?什么是超流水線(xiàn)處理機(jī)？ 這種在一個(gè)基本時(shí)鐘周期內(nèi)能夠分時(shí)發(fā)射多條指令的處理機(jī)稱(chēng)為超流水線(xiàn)處理機(jī) ?超流水線(xiàn)處理機(jī)：流水線(xiàn)的級(jí)數(shù) ≥8 ?超標(biāo)量處理機(jī)：是以增加硬件資源為代價(jià)來(lái)?yè)Q取處理機(jī)的性能；空間并行性 ?超流水線(xiàn)處理機(jī)：只需增加少量硬件，是通過(guò)各部分硬件的充分重疊工作來(lái)提高處理機(jī)的性能；時(shí)間并行性 指令執(zhí)行時(shí)序 ? 在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)能夠發(fā)射 n條指令，每隔 1/n個(gè)時(shí)鐘周期發(fā)射一條指令 ? 圖 ：超流水線(xiàn)處理機(jī)的指令執(zhí)行時(shí)空?qǐng)D （每個(gè)時(shí)鐘周期分時(shí)發(fā)射 2條指令） ? 功能段可以進(jìn)一步細(xì)分： “ 譯碼（ ID）功能段 ” =“譯碼 ” 流水級(jí) +“取第一個(gè)操作數(shù) ” 流水級(jí) +“取第二個(gè)操作數(shù) ” 流水級(jí) 典型處理機(jī)結(jié)構(gòu) ? CRAY CDC7600： n=3 ? SGI公司的 MIPS（ microprocessor without interlocked piped stages）： R202 R3000、 R4000、 R5000、R10000 ? 圖 ： MIPS R4000超流水線(xiàn)處理機(jī)結(jié)構(gòu) ? 兩個(gè) Cache：指令 Cache、數(shù)據(jù) Cache ? 整數(shù)部件：通用寄存器堆、 ALU、裝入對(duì)準(zhǔn)器 /存入驅(qū)動(dòng)器、整數(shù)乘法 /除法部件 ? 浮點(diǎn)部件：浮點(diǎn)通用寄存器堆、浮點(diǎn)乘法部件、浮點(diǎn)除法部件、浮點(diǎn)加法 /轉(zhuǎn)換 /求平方根部件、浮點(diǎn)控制器、浮點(diǎn)流水線(xiàn)專(zhuān)用通路 ? 圖 ： MIPS R4000處理機(jī)的流水線(xiàn)操作 ? 8級(jí)流水線(xiàn)、每個(gè)時(shí)鐘周期包含兩個(gè)流水線(xiàn) ? 圖 ： MIPS R4000正常指令流水線(xiàn)工作時(shí)序 ? 一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，流水線(xiàn)執(zhí)行完成了兩條指令 ? 圖 ： LOAD指令引起的流水線(xiàn)暫停 ? 暫停一個(gè)時(shí)鐘周期（兩個(gè)流水線(xiàn)周期） 超流水線(xiàn)處理機(jī)性能 ? 在一臺(tái)指令級(jí)并行度為 (1,n)的超流水線(xiàn)處理機(jī)上，執(zhí)行 N條沒(méi)有數(shù)據(jù)相關(guān)和控制相關(guān)的指令所需要的時(shí)間為： T(1,n)=[k+(N1)/n]*△ t n：每個(gè)時(shí)鐘周期分時(shí)發(fā)射的指令的條數(shù) N：需要執(zhí)行的指令條數(shù) k：指令流水線(xiàn)的功能段數(shù) k*n：指令流水線(xiàn)的級(jí)數(shù) ? 加速比： S(1,n)=T(1,1)/T(1,n)=n*(k+N1)/(n*k+N1) S(1,n)max=n 超標(biāo)量超流水線(xiàn)處理機(jī) ? 超標(biāo)量處理機(jī)：在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)發(fā)射多條指令；主要開(kāi)發(fā)空間并行性，依靠多個(gè)操作在重復(fù)設(shè)置的操作部件上同時(shí)執(zhí)行來(lái)提高程序的執(zhí)行速度 ? 超流水線(xiàn)處理機(jī)：把一個(gè)時(shí)鐘周期細(xì)分為多個(gè)流水線(xiàn)周期，每一個(gè)時(shí)鐘周期能夠發(fā)射并執(zhí)行完成多條指令；主要開(kāi)發(fā)時(shí)間并行性，在同一操作部件上重疊多個(gè)操作，通過(guò)使用較快時(shí)鐘周期的深度流水線(xiàn)來(lái)加快程序的執(zhí)行速度 ? 超標(biāo)量超流水線(xiàn)處理機(jī)：超標(biāo)量處理機(jī) +超流水線(xiàn)處理機(jī) 指令執(zhí)行時(shí)序 ?圖 ：超標(biāo)量超流水線(xiàn)處理機(jī)的指令執(zhí)行時(shí)空?qǐng)D ?在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)要發(fā)射指令 n次，每次發(fā)射指令 m條，每個(gè)時(shí)鐘周期共要發(fā)射指令m*n條 典型處理機(jī)結(jié)構(gòu) ? DEC公司的 Alpha 21064處理機(jī)結(jié)構(gòu)（圖 ） ? 四個(gè)部件： （ 1）、整數(shù)執(zhí)行部件（ EBOX） （ 2）、浮點(diǎn)執(zhí)行部件（ FBOX） （ 3）、地址部件（ ABOX） （ 4）、中央控制部件（ IBO
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