【正文】 部件級流水線（運(yùn)算操作流水線）把處理機(jī)的算術(shù)邏輯部件分段，以便為各種數(shù)據(jù)類型進(jìn)行流水操作。處理機(jī)間流水線（宏流水線）由兩個以上的處理機(jī)串行地對同一數(shù)據(jù)流進(jìn)行處理，每個處理機(jī)完成一項(xiàng)任務(wù)。向量流水處理機(jī)具有向量數(shù)據(jù)表示，并通過向量指令對向量的各元素進(jìn)行處理的流水處理機(jī)。非線性流水線流水線中除有串行連接的通路外，還有反饋回路。順序流水線流水線輸出端任務(wù)流出的順序與輸入端任務(wù)流入的順序完全相同。亂序流水線流水線輸出端任務(wù)流出的順序與輸入端任務(wù)流入的順序可以不同，允許后進(jìn)入流水線的任務(wù)先完成（從輸出端流出）。吞吐率在單位時間內(nèi)流水線所完成的任務(wù)數(shù)或輸出結(jié)果的數(shù)量。流水線的瓶頸流水線中最慢的一段。效率流水線的設(shè)備利用率。 流水寄存器建立時間在觸發(fā)寫操作的時鐘信號到達(dá)之前，寄存器輸入必須保持穩(wěn)定的時間。時鐘偏移開銷流水線中，時鐘到達(dá)各流水寄存器的最大差值時間（時鐘到達(dá)各流水寄存器的時間不是完全相同）。確定程序中指令之間存在什么樣的相關(guān)，對于充分發(fā)揮流水線的效率有重要的意義。名指指令所訪問的寄存器或存儲器單元的名稱。反相關(guān)如果指令j（在后）寫的名與指令i（在前）讀的名相同，則稱指令i和j發(fā)生了反相關(guān)。輸出相關(guān)如果指令j（在后）和指令i（在前）寫相同的名，則稱指令i和j發(fā)生了輸出相關(guān)。換名技術(shù)通過改變指令中操作數(shù)的名來消除名相關(guān)。這個過程既可以用編譯器靜態(tài)實(shí)現(xiàn)，也可以用硬件動態(tài)完成。它需要根據(jù)分支指令的執(zhí)行結(jié)果來確定后續(xù)指令是否執(zhí)行。結(jié)構(gòu)沖突因硬件資源滿足不了指令重疊執(zhí)行的要求而發(fā)生的沖突。控制沖突流水線遇到分支指令和其他會改變PC值的指令所引起的沖突。定向技術(shù)當(dāng)流水線中出現(xiàn)數(shù)據(jù)沖突時，可以將計(jì)算結(jié)果從其產(chǎn)生的地方直接送到其他指令中需要它的地方，或所有需要它的功能單元，避免暫停。寫后寫沖突（WAW）考慮流水線中的兩條指令i 和j，且i在j之前進(jìn)入流水線中，j和i的目的寄存器相同，當(dāng)它們在流水線中重疊執(zhí)行時，j可能在i寫入其計(jì)算結(jié)果之前就先行對該結(jié)果寄存器進(jìn)行寫操作，從而導(dǎo)致寫入順序錯誤，在目的寄存器中留下的是i寫入的值，而不是j寫入的值。流水線調(diào)度或指令調(diào)度當(dāng)流水線中出現(xiàn)沖突時，編譯器通過重新排列代碼的順序來消除流水線中的暫停，這種技術(shù)稱為流水線調(diào)度。分支延遲由分支指令引起的延遲。當(dāng)流水線確定分支轉(zhuǎn)移成功與否以及分支的目標(biāo)地址之后，如果分支轉(zhuǎn)移成功，流水線必須將在分支指令之后取出的所有指令轉(zhuǎn)化為空操作，并在分支的目標(biāo)地址處重新取出有效的指令；如果分支轉(zhuǎn)移失敗，那么可以將分支指令看作是一條普通指令，流水線正常流動，無需將在分支指令之后取出的所有指令轉(zhuǎn)化為空操作?！把舆t分支”方法其主要思想是從邏輯上“延長”分支指令的執(zhí)行時間。處于分支延遲槽中的指令“掩蓋”了流水線原來必須插入的暫停周期。若向量長度為N，則水平處理方式相當(dāng)于執(zhí)行N次循環(huán)。垂直(縱向)處理方式將整個向量按相同的運(yùn)算處理完畢之后，再去執(zhí)行其他運(yùn)算。分組(縱橫)處理方式把長度為N的向量分為若干組，每組長度為n，組內(nèi)按縱向方式處理，依次處理各組，組數(shù)為「N/n」，適合流水處理。Vi沖突并行工作的各向量指令的源向量或結(jié)果向量的Vi有相同的。鏈接技術(shù)兩條向量指令出現(xiàn)“寫后讀”相關(guān)時，若它們不存在功能部件沖突和向量寄存器(源或目的)沖突，就有可能把它們所用的功能部件頭尾相接，形成一條鏈接流水線，進(jìn)行流水處理。向量循環(huán)或分段開采技術(shù)當(dāng)向量的長度大于向量寄存器的長度時，就必須把長向量分成固定長度的段，然后循環(huán)分段處理，一次循環(huán)只處理一個向量段。：當(dāng)向量長度為無窮大時，向量處理機(jī)的最高性能，也稱為峰值性能。向量長度臨界值對于某一計(jì)算任務(wù)而言，向量方式的處理速度優(yōu)于標(biāo)量串行方式處理速度時所需的最小向量長度。這種指令序列中存在的潛在并行性稱為指令級并行。循環(huán)級并行性循環(huán)體中指令之間的并行性。保持異常行為無論怎么改變指令的執(zhí)行順序，都不能改變程序中異常的發(fā)生情況。靜態(tài)調(diào)度技術(shù)依靠編譯器對代碼進(jìn)行靜態(tài)調(diào)度，以減少相關(guān)和沖突。靜態(tài)調(diào)度通過把相關(guān)的指令拉開距離來減少可能產(chǎn)生的停頓。不精確異常當(dāng)執(zhí)行指令i導(dǎo)致發(fā)生異常時，處理機(jī)的現(xiàn)場（狀態(tài)）與嚴(yán)格按程序順序執(zhí)行時指令i的現(xiàn)場不同。Tomasulo算法的核心思想① 記錄和檢測指令相關(guān)，操作數(shù)一旦就緒就立即執(zhí)行，把發(fā)生RAW沖突的可能性減少到最少；② 通過寄存器換名來消除WAR沖突和WAW沖突。CDB公共數(shù)據(jù)總線。動態(tài)分支預(yù)測技術(shù)在程序運(yùn)行時，根據(jù)分支指令過去的表現(xiàn)來預(yù)測其將來的行為。動態(tài)分支預(yù)測技術(shù)的目的有兩個：預(yù)測分支是否成功和盡快找到分支目標(biāo)地址（或指令），從而避免因控制相關(guān)而造成流水線停頓。BTB分支目標(biāo)緩沖器。表格中的每一項(xiàng)至少有兩個字段：① 執(zhí)行過的成功分支指令的地址；② 預(yù)測的分支目標(biāo)地址。只是執(zhí)行指令的結(jié)果不是寫回到寄存器或存儲器，而是放到一個稱為ROB的緩沖器中。ROB再定序緩沖器。多流出技術(shù)在每個時鐘周期流出多條指令。在每個時鐘周期流出的指令條數(shù)不固定，依代碼的具體情況而定，不過有個上限。超長指令字VLIW技術(shù)一種多指令流出技術(shù)。超流水線處理機(jī)在一個時鐘周期內(nèi)能夠分時流出多條指令的處理機(jī)。它將循環(huán)體展開若干次，將循環(huán)級并行轉(zhuǎn)化為指令級并行。第5章 存儲層次存儲器的三個主要指標(biāo)從用戶的角度來看，存儲器的三個主要指標(biāo)是：容量、速度和價格。各存儲器處在離CPU不同距離的層次上。命中率HCPU在第一級存儲器中找到所需數(shù)據(jù)的概率。失效開銷CPU向第二級存儲器發(fā)出訪問請求到把這個數(shù)據(jù)塊調(diào)入第一級存儲器所需的時間。借助于輔助軟硬件，它與主存構(gòu)成一個有機(jī)的整體，以彌補(bǔ)主存速度的不足。它是在主存外面增加一個容量更大、每位價格更便宜、但速度更慢的存儲器。全相聯(lián)映像當(dāng)把一個塊從主存調(diào)入Cache時，它可以被放置到Cache中的任意一個位置。組相聯(lián)映像當(dāng)把一個塊從主存調(diào)入Cache時，它可以被放置到Cache中唯一的一個組中的任何一個位置（Cache被等分為若干組，每組由若干個塊構(gòu)成）。相聯(lián)度組相聯(lián)映像中每組中的塊數(shù)。候選位置一個主存塊可能映像到Cache中的一個或多個Cache塊位置，這些Cache塊位置稱為候選位置。先進(jìn)先出法(FIFO)選擇最早調(diào)入的塊作為被替換的塊。寫直達(dá)法在執(zhí)行“寫”操作時，不僅把信息寫入Cache中相應(yīng)的塊，而且也寫入下一級存儲器中相應(yīng)的塊。該塊只有在被替換時，才被寫回主存。不按寫分配法寫失效時，直接寫入下一級存儲器中，而不把相應(yīng)的塊調(diào)入Cache。混合Cache將指令和數(shù)據(jù)放在一個統(tǒng)一的Cache中。容量失效如果程序執(zhí)行時所需的塊不能全部調(diào)入Cache中，則當(dāng)某些塊被替換后，若又重新被訪問，就會發(fā)生失效。沖突失效在組相聯(lián)或直接映像Cache中，若太多的塊映像到同一組（塊）中，則會出現(xiàn)該組中某個塊被別的塊替換（即使別的組或塊有空閑位置），然后又被重新訪問的情況。2:1的Cache經(jīng)驗(yàn)規(guī)則大小為N的直接映像Cache的失效率約等于大小為N/2的兩路組相聯(lián)Cache的失效率。偽相聯(lián)一種既能獲得多路組相聯(lián)Cache的低失效率，又能獲得直接映像Cache的命中速度的相聯(lián)辦法。確定這個“另一塊”的一種簡單的方法是將索引字段的最高位取反，然后按照新索引去尋找“偽相聯(lián)組”中的對應(yīng)塊。否則，就只好訪問下一級存儲器。Cache預(yù)取預(yù)取時，只將數(shù)據(jù)取到Cache中，不放入寄存器。非故障性預(yù)取或非綁定預(yù)取預(yù)取時，若出現(xiàn)虛地址故障或違反保護(hù)權(quán)限，則不會發(fā)生異常。子塊放置技術(shù)把一個Cache塊劃分為若干個小塊，稱為子塊。失效時只從下一級存儲器調(diào)入一個子塊。盡早重啟動在請求字沒有到達(dá)時，CPU處于等待狀態(tài)。請求字優(yōu)先調(diào)塊時，首先向存儲器請求CPU所要的請求字。失效下的命中Cache在失效時仍允許CPU進(jìn)行其它的命中訪問。物理Cache訪問Cache的索引和標(biāo)識都是物理地址的一部分。同義或別名虛擬Cache中，操作系統(tǒng)和用戶程序?qū)τ谕粋€物理地址可能采用兩種以上不同形式的虛擬地址來訪問，這些地址稱為同義或別名。CPU發(fā)出訪存請求后，在進(jìn)行虛實(shí)地址轉(zhuǎn)換的同時，可并行進(jìn)行標(biāo)識的讀取。它既能得到虛擬Cache的好處，又能得到物理Cache的優(yōu)點(diǎn)。把主存的寬度增加為原來的若干倍。存儲器的各個體是按字交叉的。體沖突多個請求要訪問同一個體。TLB一個專用的高速緩沖器，用于存放近期經(jīng)常使用的頁表項(xiàng)，其內(nèi)容是頁表部分內(nèi)容的一個副本。存儲外設(shè)可靠性能的參數(shù)可靠性、可用性和可信性系統(tǒng)可靠性指系統(tǒng)從初始狀態(tài)開始一直提供服務(wù)的能力。系統(tǒng)的失效率平均無故障時間MTTF的倒數(shù)。系統(tǒng)的可信性指服務(wù)的質(zhì)量，即在多大程度上可以合理地認(rèn)為服務(wù)是可靠的。糾錯方法在系統(tǒng)構(gòu)建中設(shè)計(jì)容錯部件，即使出現(xiàn)故障，也可以通過容錯信息保證系統(tǒng)正常工作。RAID0采用數(shù)據(jù)分塊技術(shù)，把數(shù)據(jù)分布在多個盤上，無冗余信息。每當(dāng)數(shù)據(jù)寫入一個磁盤時，也將該數(shù)據(jù)寫到另一個冗余盤（鏡像盤），形成數(shù)據(jù)的兩個備份（數(shù)據(jù)鏡像）。RAID2位交叉式漢明編碼陣列。RAID3位交叉奇偶校驗(yàn)盤陣列。特點(diǎn)是可以獲得非常高的數(shù)據(jù)傳輸率。RAID4專用奇偶校驗(yàn)獨(dú)立存取盤陣列。RAID5塊交叉分布式奇偶校驗(yàn)盤陣列，是旋轉(zhuǎn)奇偶校驗(yàn)獨(dú)立存取的陣列。RAID6雙維奇偶校驗(yàn)獨(dú)立存取盤陣列?？扇萑屉p盤出錯。在請求和應(yīng)答之間的空閑時間內(nèi)，總線可以供其他的I/O使用，這樣就不必在整個I/O過程中都獨(dú)占總線。I/O總線標(biāo)準(zhǔn)定義如何將設(shè)備與計(jì)算機(jī)進(jìn)行連接的文檔。字節(jié)多路通道一種簡單的共享通道，主要為多臺低速或中速的外圍設(shè)備服務(wù)。依次循環(huán)工作。通道每連接一臺高速設(shè)備，傳送一個數(shù)據(jù)塊，傳送完成后，又與另一臺高速設(shè)備連接，再傳送一個數(shù)據(jù)塊。選擇通道適于為多臺高速外圍設(shè)備服務(wù)。通道流量一個通道在數(shù)據(jù)傳送期間，單位時間內(nèi)能夠傳送的最大數(shù)據(jù)量。虛擬DMA允許DMA設(shè)備直接使用虛擬地址，在DMA期間由硬件將虛擬地址映射到物理地址。異步I/O允許多個I/O請求同時處理以最大限度地利用帶寬。這些結(jié)點(diǎn)可以是處理器、存儲模塊或其他設(shè)備。分組交換把信息分割成許多組（又稱為包），將它們分別送入互連網(wǎng)絡(luò)。在分組交換中，結(jié)點(diǎn)之間不存在固定連接的物理通路。分散控制方式分散控制方式中，不存在全局的控制器，通信請求的處理和開關(guān)的設(shè)置由互連網(wǎng)絡(luò)分散地進(jìn)行。動態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)根據(jù)需要設(shè)置互連網(wǎng)絡(luò)中的開關(guān)，從而對結(jié)點(diǎn)之間的連接通路進(jìn)行重新組合，實(shí)現(xiàn)所要求的通信模式。即在互連函數(shù)f的作用下，輸入端x連接到輸出端f(x)。循環(huán)互連函數(shù)f(x)有時可以采用循環(huán)表示，即：（x0 x1 x2 … xj1）。交換函數(shù)實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制地址編碼中第k位互反的輸入端與輸出端之間的連接。其函數(shù)關(guān)系可表示為 即把輸入端的二進(jìn)制編號循環(huán)左移一位。其互連函數(shù)為逆均勻洗牌是均勻洗牌的逆函數(shù)。定義為反位序函數(shù)將輸入端二進(jìn)制編號的位序顛倒過來求得相應(yīng)輸出端的編號。其函數(shù)為PM2+i (x) ＝ x＋2i mod N PM2i(x) ＝ x－2i mod N 其中，0≤x≤N－1，0≤i≤n－1，n＝log2N，N為結(jié)點(diǎn)數(shù)。這種圖由用有向邊或無向邊連接的有限個結(jié)點(diǎn)構(gòu)成。結(jié)點(diǎn)度與結(jié)點(diǎn)相連接的邊的數(shù)目。出度在單向通道的情況下，從結(jié)點(diǎn)出來的通道數(shù)。網(wǎng)絡(luò)直徑網(wǎng)絡(luò)中任意兩個結(jié)點(diǎn)間最短路徑長度的最大值。結(jié)點(diǎn)之間的線長兩個結(jié)點(diǎn)之間連線的長度，用米、千米等表示。線性陣列一種一維的線性網(wǎng)絡(luò)，其中N個結(jié)點(diǎn)用N1個鏈路連成一行。環(huán)用一條附加鏈路將線性陣列的兩個端點(diǎn)連接起來而構(gòu)成的。它是對稱的，結(jié)點(diǎn)度是常數(shù)2。帶弦環(huán)在環(huán)的基礎(chǔ)上，給每個結(jié)點(diǎn)增加一條或兩條鏈路。全連接網(wǎng)絡(luò)一種環(huán)網(wǎng)。循環(huán)移數(shù)網(wǎng)絡(luò)通過在環(huán)上每個結(jié)點(diǎn)到所有與其距離為2的整數(shù)冪的結(jié)點(diǎn)之間都增加一條附加鏈而構(gòu)成的。這種循環(huán)移數(shù)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)點(diǎn)度為d=2n1，直徑D=n/2。一般說來，一個n立方體由N=2n 個結(jié)點(diǎn)組成，它們分布在n維上，每維有兩個結(jié)點(diǎn)。它是單級無阻塞置換網(wǎng)絡(luò)，帶寬和互連特性最好。各處理器通過大容量的Cache和總線互連，共享一個單獨(dú)的物理存儲器。分布式存儲器結(jié)構(gòu)處理器的規(guī)模較大，存儲器分布到各個處理器上，而非采用集中式。通信延遲通信延遲＝發(fā)送開銷＋跨越時間＋傳輸延遲＋接收開銷跨越時間數(shù)字信號從發(fā)送方的線路端傳送到接收方的線路端所經(jīng)過的時間。分布式共享存儲器或可縮放共享存儲器體系結(jié)構(gòu)物理上分離的多個存儲器作為一個邏輯上共享的存儲空間進(jìn)行編址，如果一個處理器具有訪問權(quán)，就可以訪問任何一個其他的局部存儲器。利用load和store指令中的地址隱含地進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。數(shù)據(jù)通信要通過處理器間顯式地傳遞消息來完成。共享數(shù)據(jù)供多個處理器使用的數(shù)據(jù)。共享數(shù)據(jù)的復(fù)制把多個處理器需要同時讀取的共享數(shù)據(jù)項(xiàng)的副本放在各自局部Cache中使用。Cache一致性協(xié)議對多個處理器維護(hù)Cache一致性的協(xié)議。目錄用一種專用的存儲器所記錄的數(shù)據(jù)結(jié)