计算机系统结构第3章流水线技术

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1、1第三章流水线技术3.1流水线的基本概念3.2流水线的时空图及性能分析3.3流水线的相关3.4MIPSR4000流水线计算机3.5向量处理机23.1流水线的基本概念一．指令的重叠执行1.一条指令执行的几个过程段1）取指令：根据PC（指令计数器）从M（存储器）取出指令送到IR（指令寄存器）2）译码分析：译出指令的操作性质，准备好所需数据3）执行：将准备好的数按译出性质进行处理，主要涉及ALU（算术逻辑运算部件）3.1.1有关基本概念32.对指令执行的几种方式1）顺序执行(传统机采用)只有在前一条指令的各过程段全部完成后，才从存储器取出下一条指令取译执取

2、译执i条i+1条42)仅两条指令重叠：第i条指令的执行与第i+1条的取指重叠。3)三条指令重叠：第i条指令的执行与第i+1条的译码及第i+2条的取指重叠。i条取译执取译执i+1条i条取译执i+1条取译执i+2条取译执5若一条指令的过程段划分更多时，重叠组合方式更多。重叠解释并不能加快一条指令的实现，但能加快一段程序的解释。3.重叠方式中所需时间表达式及所需时间计算1）条件：设一条指令分为三个过程段，各过程段分别用t取、t译、t执表示。执行n条指令，分别采用顺序执行、两条重叠、三条重叠。2）分别列出上述三种执行方式所需时间表达式顺序执行n*（t取+t译

3、+t执）两条重叠t取+n*t译+(n-1)*max(t取,t执)+t执三条重叠t取+max(t译,t取)+(n-2)*max（t取,t译,t执）+max(t执,t译)+t执63)例子当n=200，t取=3Δt，t译=4Δt，t执=5Δt，时，分别计算上述三种执行方式的时间。顺序执行：200×(3+4+5)=2400Δt两条重叠：3+200×4+(200-1)×5+5=1803Δt三条重叠：3+4+(200-2)×5+5+5=1007Δt7重叠方式需要解决的问题1）对存储器的频繁访问①有哪些访问：取指令、取操作数、存放执行结果,I/O通道访问.②希望存

4、储器为多体结构，以适应多种访问源的需要。③当存储器为单体结构时，需要将访问源排队，先后顺序为：取指令、取数据、I/O通道访问、存结果2）应具有先行控制部件①先行：在重叠操作中，当前一条指令在执行过程中就需要提前取出后面的指令进行相应处理，这种提前取出后继指令进行相应处理，称为先行。82）先行控制部件的主要内容Ⅰ）先行地址站，包括先行指令地址站和先行操作数地址站；Ⅱ）先行指令站，用来存放多条指令；Ⅲ）先行操作数站，用来存放多个操作数；Ⅳ）先行地址形成部件，用来形成先行指令地址以及先行操作数地址；Ⅴ）先行操作数译码站，用来完成对多条指令的译码并保留译码输

5、出状态。93）也应具有后行部件后行部件：对指令执行后的结果进行处理的器件，称后行部件。包括：①后行数地址站，提供后行数存放地址。②后行数站，存放运行的结果，并且，这些结果需送存储器。1011二、从重叠到流水1、工业生产流水线下面通过一个例子来说明流水线的好处:两种方案两种方案的工作过程对比流水线生产过程的抽象描述这种流水工作方式的主要特点12°洗衣店的例子°A,B,C,D均有一些衣物要清洗，甩干，折叠°清洗要花30分钟°甩干要用30分钟°叠衣物也需要30分钟°还要花费30分钟的时间将衣物放在衣柜里ABCD13顺序操作°洗4个人的衣物，顺序操作需要

6、8个小时°如果使用流水线作业,将需要多少时间呢?30任务顺序BCDA时间3030303030303030303030303030306下午78910111212上午14流水线作业°流水线作业洗4个人的衣物只需要3.5个小时!任务顺序122上午6下午78910111时间BCDA3030303030303015流水线°流水线无法帮助解决单个任务的延迟,有利于减少整个工作全部时间°多个任务同时操作需要不同的资源°流水线的速率受速度最慢的流水段的限制°流水线各段长度不均会降低加速比6下午789时间BCDA30303030303030任务顺序162、流水线技术

7、把一个重复的过程分解为若干个子过程，每个子过程由专门的功能部件来实现。把多个处理过程在时间上错开，依次通过各功能段，这样，每个子过程就可以与其他的子过程并行进行。3、流水线中的每个子过程及其功能部件称为流水线的级或段，段与段相互连接形成流水线。流水线的段数称为流水线的深度。174、指令流水线把指令的解释过程分解为分析和执行两个子过程，并让这两个子过程分别用独立的分析部件和执行部件来实现。理想情况：速度提高一倍4段指令流水线185、浮点加法流水线把流水线技术应用于运算的执行过程，就形成了运算操作流水线，也称为部件级流水线。把浮点加法的全过程分解为求阶

8、差、对阶、尾数相加、规格化4个子过程。理想情况：速度提高3倍193.1.2流水线的分类流水线可按不同的观点进