标量处理机与流水线

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1、第五章标量处理机与流水线【学习指南】一.首先透切理解以下基本概念：数据相关、控制相关、资源冲突、静态流水线、动态流水线、流水线吞吐率、流水线效率、流水线加速比、多发射、超标量流水线、超流水线、超标量超流水线1.流水线的原理、特点及其分类。流水线方式是把一个重复的过程分解为若干个子过程，每个子过程可以和其他的子过程同时进行，即所谓的时间并行性。流水线的工作可以用时空图来描述。流水线有以下的特征：为了提高流水线的效率，应该尽可能的为流水线提供连续的任务；流水线由很多相联的功能段组成，为了平衡功能段之间的速度差，功能段之

2、间需要设置缓冲寄存器；流水线中每个功能段的时间应该尽量相等，以免形成“瓶颈”，否则应该对功能段再划分或者采用多个功能部件；流水线需要装入和排空时间，只有在流水线完全充满时，它才能充分发挥效率。根据不同的角度，流水线可以被划分成以下的类别：线性流水线，非线性流水线；指令流水线，运算操作流水线，宏流水线；单功能流水线，多功能流水线；静态流水线，动态流水线等。2.流水线的性能分析。衡量流水线性能的主要指标有吞吐率，加速比，效率。流水线的吞吐率TP定义为单位时间内流水线所完成的任务数量或者输出的结果数量，基本公式如下：n为

3、任务数，Tk是完成n个任务所用的时间。流水线的加速比S指完成一批任务，不使用流水线所用的时间与使用流水线所用的时间之比称为流水线的加速比：其中T0指顺序执行所用的时间，Tk时使用流水线的执行时间。流水线的效率E是指流水线的设备利用率，在时空图上，流水线的效率定义为n个任务占用的时空区与k个功能段总的时空区之比。二.通过做例题和习题，会做下列类型的计算题：(1)画时空图(这是本章计算题的基础，无论是否要求画出时空图，建议画出时空图，这对计算其他参数都有好处)(2)流水线吞吐率、加速比和效率的计算[题]假设一条指令的执

4、行过程分为“取指令”、“分析”和“执行”三段，每一段的时间分别为Dt、2Dt和3Dt。在下各种情况下，分别写出连续执行n条指令所需要的时间表达式。(1)顺序执行方式。(2)“取指令”、“分析”和“执行”重叠。[解]（1）顺序执行时每条指令用时=Dt+2Dt+3Dt=6Dt，因此n条指令所需要的时间=6n*Dt（2）第一条指令完成需要时间=Dt+2Dt+3Dt=6Dt，由于一条指令的“取指令”和“分析”阶段和下一条指令的“执行”阶段重叠，因此，此后每3Dt完成一条指令，余下的n-1条指令用时(n-1)*3Dt.因此n

5、条指令所需要的时间=6Dt+(n-1)*3Dt=3(n+1)Dt[题]一动态多功能流水线由６个功能段组成，如下图：其中：s1、S4、S5、S6组成乘法流水线，S1、S2、S3、S6组成加法流水线，各个功能段时间均为50ns。假定该流水线的输出结果可以直接返回流水线输入端，而且设置有足够的缓冲寄存器。若按照最快的方式用该流水线计算。（1）请画出其处理过程的时空图。（2）计算其实际吞吐率，加速比和效率。[解](1)：乘法操作用到的流水段有：S1、S4、S5、S6；加法操作用到的流水段有：S1、S2、S3、S6。以最快的

6、方式处理的流水线时空图如图所示：(2)：A部分所处理的是；B部分所处理的是；C部分所处理的是。整个处理过程共需22个时钟周期。而进行了14次不同的运算，所以其实际吞吐率为：这些运算串行处理所需要的时钟周期为56个时钟周期，所以其加速比为：效率为：