流水和现代处理器技术

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1、第五章重叠、流水和现代处理器技术北京航空航天大学计算机学院2005年4月主要内容：基本问题流水线技术向量流水技术现代处理器技术基本问题如何提高CPU执行效率？TCPU=IN*CPI*TCIN：执行程序中的指令总数；CPI：执行每条指令所需的平均时钟周期数；TC：时钟周期的时间长度。基本问题其中：Ii表示第i种指令在程序中执行次数,CPII表示执行一条第i类指令所需的平均时钟周期数,IN为程序中所有的指令类数..顺序执行方式一条指令的执行过程：取指令->分析->执行执行n条指令所用的时间为：如每段时间都为t，则执行n条指令所用的时间为：T=3nt

2、主要优点：控制简单，节省设备。主要缺点：执行指令的速度慢，功能部件的利用率很低。取指令k分析k执行k取指令k+1分析k+1执行k+1指令执行方式分析此时，执行n条指令的时间为：T=(2+2n)t主要优点：指令的执行时间缩短功能部件的利用率明显提高主要缺点：需要增加一些硬件控制过程稍复杂取指分析执行取指分析执行取指分析执行一次重叠执行方式(一种最简单的流水线方式)二次重叠执行方式把取第k+1条指令提前到分析第k条指令同时执行如果三个过程的时间相等，执行n条指令的时间为：T=(2+n)t理想情况下同时有三条指令在执行处理机的结构要作比较大的改变

3、（必须采用先行控制方式）取指k+2分析k+2执行k+2取指k+1分析k+1执行k+1取指k分析k执行k主要内容：基本问题流水线技术向量流水技术现代处理器技术流水线技术包含以下内容：流水线的分类流水线的表示方法流水线的特点流水线的性能分析非线性流水线技术流水线的分类从流水线具有功能多少来看，可以分为单功能流水线和多功能流水线。单功能流水线只能实现一种功能的流水处理。取指令译码执行保存结果t1t2t3t4多功能流水线是指同一流水线的各段之间可以通过不同的连接方式实现多种不同的运算或功能。流水线的分类输入减阶对阶移位相加规格化相乘累加输出12

4、345678输入减阶对阶移位相加规格化输出123458输入相乘累加输出1678流水功能段浮点加、减法运算定点乘法运算按多功能流水线的各段能否允许同时用多种不同功能连接流水，可把流水线分为静态流水线和动态流水线。静态流水线在某一时间内各段只能按一种功能连接流水。动态流水线的各段在同一时间内可按不同运算或功能连接。流水线的分类可同时进行浮点加、减运算和定点乘法运算的流水线流水线的分类输入减阶对阶移位相加规格化相乘累加输出12345678从流水线中各功能段之间是否有反馈回路，可以把流水线分为线性流水线和非线性流水线。流水线的分类S1S2S3S4输出输

5、入反馈线流水线的表示方法流水线的表示法有三种：连接图、时空图、预约表。主要考虑前二种。1、简单流水线的连接图表示流水线的每一个阶段称为流水步、流水步骤、流水段、流水线阶段、流水功能段、功能段、流水级、流水节拍等。一个流水阶段与另一个流水阶段相连形成流水线。指令从流水线一端进入，经过流水线的处理，从另一端流出。有些复杂指令在执行阶段也采用流水线方式工作，称为操作流水线。取指令译码执行保存结果t1t2t3t42、一种指令流水线一般4至12个流水段，等于及大于8个流水段的称为超流水线处理机。取指形成操作数地址译码取操作数执行保存结果流水线的

6、表示方法3、流水线的时空图采用“时空图”表示流水线的工作过程。一条简单流水线的时空图：分析k分析k+1分析k+2分析k+3执行k执行k+1执行k+2执行k+3时间空间0t1t2t3t4t5流水线的表示方法一个浮点加法器流水线的时空图(由求阶差、对阶、尾数加和规格化4个流水段组成)：ED1时间空间0t1t2t3t4t5ED2ED3ED4ED5EA1EA2EA3EA4EA5MA1MA2MA3MA4MA5NL1NL2NL3NL4NL5t6t7t8NL：规格化MA：尾数加EA：对阶ED：求阶差流水线的表示方法在流水线的每一个功能部件的后面都要有一个缓冲

7、器，称为锁存器、闸门寄存器等，它的作用是保存本流水段的执行结果。各流水段的时间应尽量相等，否则回引起阻塞、断流等。只有连续提供同类任务才能充分发挥流水线的效率。在流水线的每一个流水线段中都要设置一个流水锁存器。流水线需要有“装入时间”和“排空时间”。只有流水线完全充满时，整个流水线的效率才能得到充分发挥。流水线的主要特点衡量流水线性能的主要指标有：吞吐率、加速比和效率1、吞吐率（ThoughPut）求流水线吞吐率的最基本公式：TP=n/Tkn为任务数,Tk为完成n个任务所用时间各段执行时间相等，输入连续任务情况下完成n个连续任务需要的总时间为：

8、Tk=(k+n-1)Dtk为流水线的段数，Dt为时钟周期线性流水线的性能分析1时间空间S123……n-1nS2S3S4123……n-1n123……n-