《流水线工作方式》word版

《《流水线工作方式》word版》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在应用文档-天天文库。

1、流水线工作方式流水线处理概念和特点在计算机中，流水线处理的概念类似于工厂中的流水作业的装配线。若在计算机中把CPU的一个操作(分析指令、处理数据等)进一步分解成多个可以单独处理的子操作，使每个子操作在一个专门的硬件站上执行，这样一个操作需要顺序地经过流水线中多个站的处理才能完成。在执行的过程中，前后连续的几个操作可以依次流入流水线中，在各个站间重叠执行，从而实现操作的重叠。把一个重复的时序过程分成若干个子过程，每个子过程都可以有效地在其专用功能段上和其他子过程同时执行的一种技术，称为流水线技术。流水线的基本结构中主要包括三大部分：锁存器、时钟

2、、功能站。流水线中每个站都是由一些执行算术和逻辑功能的组合逻辑线路组成的(图中Si为第i个站)，它们可以互相独立地对流过的信息进行某种操作，相邻两站由高速锁存器(latch)隔开，信息在各站间的流动靠同时送到各站的时钟信号来控制。图5.2.1示出了流水线的基本结构。为了提高计算机执行指令的速度，可以使一串指令的执行采用流水线处理，将一条指令执行分为几个子过程，如取指令IF、译码ID、执行EX、访存MEM、写回WB等，这几个子过程能同它前后的指令在时间上重叠。图5.2.2示出了这种流水线工作方式。如果每个子过程经过的时间都是△t，则指令的流水线

3、处理过程可用图5.2.3时空图来描述。在图5.2.3中，横向表示时间，纵向表示空间各功能段S1,S2,S3,…，图中小方格的1,2,3…,n表示处理机处理的第1,2,3…,n条指令号。时空图的分布反应了流水线各功能部件占有情况。在流水线开始时有一段流水线填入时间，使得流水线填满，此段时间称为流水线建立时间。然后流水线正常工作，各功能段源源不断满载工作，称为正常流动时间。在流水线第一条指令结束时，其他指令还需要一段释放时间，这段时间称为排空时间。流水线时空图中各个空白格越少，表示设备的占有率高，效率高。流水线的时空图是描述流水线工作、分析评价流

4、水线性能的重要工具。把流水线技术和前述重叠技术比较，一般有如下的一些特点：(1)流水线一定重叠，比重叠更苛刻。(2)一条流水线通常有多个流水段组成。(3)每段有专用功能部件，各部件顺序连接，不断流。(4)流水线有建立时间、满载时间、排空时间。(5)各段时间尽量短、一致；不一致时最慢子过程为瓶颈。(6)一般技术书上给出的指标如最大吞吐率等，为满负载最佳指标。5.2.2流水线的分级和分类现代计算机中，流水线处理技术已经得到广泛应用，从不同角度可对流水线进行以下不同的分类、分级。1.按处理的级别分级流水线按处理级别可分为三级：操作部件级、指令级和处

5、理机级。操作部件级流水就是将复杂的算逻运算组成流水线工作方式。例如，可将浮点加法操作分成求阶差、对阶、尾数相加以及结果规格化等4个子过程。指令级流水是把一条指令解释过程分成多个子过程，如前面提到的取指、译码、执行、访存及写回等五个子过程。处理机级流水是一种宏流水，其中每一个处理机完成某一专门任务，各个处理机所得到的结果需存放在与下一个处理机所共享的存储器中。2.流水线的分类(1)按功能分类：流水线按功能分类可分成单功能流水线和多功能流水线两种。单功能流水线指的是只能实现一种固定的专门功能的流水线。例如CRAY-1计算机就是有12个单功能流水线

6、。多功能流水线指的是通过各站间的不同联结方式可以同时或不同时地实现多种功能的流水线。例如TI-ASC计算机有4个多功能流水处理器。它共有8个站，可以按需要进行不同的连接实现定点和浮点算术运算以及多种逻辑移位操作。多功能流水线从一种功能变为另一种功能时需要重新联结，虽然它对资源的利用率可以较高，应用时也较灵活，但它的控制比单功能流水线复杂得多。(2)按工作方式分类：流水线按这种分类方式可分为静态流水线(staticpipelining)和动态流水线(dynamicpipelining)。静态流水线在同一时间内只能按一种运算的联结方式工作。它可以

7、是单功能流水线，也可以是多功能流水线。静态流水线仅当指令都是同一类型时才能连续不断地执行。当是多功能流水线时，则从一种功能方式变为另一种功能方式时，必须先排空流水线，然后为另一种功能设置初始条件后方可使用。静态流水线的功能不能频繁地变换，否则它的效率将很低。目前大多数计算机都用静态流水线。动态流水线在同一时间内允许按多种不同运算的联结方式工作。因此动态流水线必是多功能流水线，而单功能流水线必是静态的。(3)按连接方式分类：流水线按连接方式可以分为线性流水线与非线性流水线。线性流水线中，从输入到输出，每个功能段只允许经过一次，不存在反馈回路。非

8、线性流水线存在反馈回路，从输入到输出过程中，某些功能段将数次通过流水线，这种流水线适合于进行线性递归的运算。5.2.3流水线性能分析计算1.技术指标衡量流水线处理机