流水技术与流水处理机

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1、计算机系统结构教程武汉理工大学目录第3章流水技术与流水处理机3.1指令重叠与先行控制3.2流水线的分类与性能3.3非线性流水线的调度与性能计算3.4流水线的相关问题与相关处理3.5多发射处理机及其性能3.6向量流水处理机及其性能第3章流水技术与流水处理机3.1指令重叠与先行控制提高处理机性能的一个途径是缩短指令序列执行的时间，提高指令平均执行速度。提高指令执行速度有以下3种途径：提高处理机的工作主频。目前，处理机的工作主频已达GHz的水平以上，以提高主频来提高指令执行速度的趋势已经明显减缓。采用RISC技术减少指令执行的平均周期数。采用指令级并行

2、技术，使多条指令并行执行。3.1指令重叠与先行控制3.1.1指令的顺序执行方式与重叠执行方式指令顺序执行方式:是指指令之间顺序串行，且指令内的各个阶段之间也是顺序串行的方式。指令重叠执行方式:如果处理机在结构上能使执行指令各阶段功能的部件或段（segment）相互独立，而且各段完成相应功能的所需时间尽可能相等，那么，就可以把一个指令序列中的多条指令在时间上重叠起来执行。3.1.2先行控制技术为使指令序列能够重叠执行，处理机在结构上必须解决以下两个问题。首先，需要有独立的取指令部件、指令分析部件和指令执行部件，才能实现取指令、分析和执行的同时进行。

3、其次，要解决访问主存的冲突问题。通常，有以下3种方法来解决这个问题。1.采用两个独立编址的存储器组成主存把主存分成两个独立编址的存储器，一个是专门存放指令的指令存储器，简称指存；另一个是专门存放数据的数据存储器，简称数存。两个存储器可同时独立访问，这就解决了取指令和读操作数的冲突。2.主存采用并行存储器主存采用多体低位交叉编址的并行存储器，从而可使得在一个存储周期中访问多个存储单元。3.采用先行控制技术先行控制技术的关键是缓冲技术和预处理技术。缓冲技术是在工作速度不固定的两个功能部件之间设置缓冲栈，用以平滑它们的工作速度的差异。预处理技术是把进入

4、运算器的指令都处理成寄存器—寄存器型（RR型）指令，它与缓冲技术相结合，为进入运算器的指令准备好所需要的全部操作数。采用先行控制技术的处理机结构3.2流水线的分类与性能流水处理方式是把一个需要反复进行的过程分离为若干独立的子过程，每个子过程与其他子过程同时处理不同的对象。流水处理方式是利用时间重叠的并行技术来开发计算机系统的并行性。3.2.1流水线的分类与时空图1.流水线的分类（1）部件级流水线、处理机级流水线和系统级流水线部件级流水线:是指由部件内各子部件组成的流水线。处理机级流水线:是指处理机内的各部件之间的流水线。系统级流水线:是指处理机之

5、间的流水线，它又称为宏流水线。（2）线性流水线与非线性流水线线性流水线:是指流水线的各个段之间串行连接，处理对象顺序流经流水线各段最多一次的流水线。非线性流水线:是指流水线的各段之间除有串行连接之外，还有反馈回路，从而使处理对象流经某个段或某几个段多次的流水线。（3）单功能流水线与多功能流水线单功能流水线:是指流水线的各段之间的连接固定不变，因此只能完成一种固定功能的流水线。多功能流水线:是指流水线的各段之间可以实现不同的连接，流水线能通过不同的连接实现不同的处理功能。（4）静态流水线与动态流水线静态流水线:是指在同一段时间内，多功能流水线只能实

6、现一种连接，从而只能执行一种功能，且只有在按照这种连接已流入的所有处理对象都流出流水线后，才能重新连接以实现另一种功能。动态流水线:是指在同一段时间内，多功能流水线的各段可以实现多种连接，从而同时执行多种功能。当然，流水线中的任何一个功能段只能参加到一种连接中。（5）标量流水处理机与向量流水处理机标量流水处理机:只有流水线，没有向量数据表示和相应的向量指令，处理向量时，采用流水执行方式对向量各元素（标量数据）按标量指令的要求进行处理。向量流水处理机:是向量数据表示与向量指令流水线的结合，一个向量指令序列可以在向量流水处理机上流水地执行。2.时空图

7、时空图:是描述流水线工作过程的一种较好的工具。时空图用横轴表示时间，当流水线中各功能部件的执行时间都相等时，横轴被分割成相等长度的时间段。时空图的纵轴表示流水线的各功能部件，每个功能部件通常称为一个功能段。浮点加法器流水线:浮点加法器流水线的时空图:空间规格化尾数加对阶求阶差求阶差5求阶差4求阶差3求阶差2求阶差1对阶5对阶4对阶3对阶2对阶1尾数加5尾数加4尾数加3尾数加2尾数加1规格化5规格化4规格化3规格化2规格化10t1t2t3t4t5t6t7t8时间3.2.2线性流水线的性能计算1.吞吐率流水线的吞吐率是指流水线单位时间输出结果的数量。

8、（1）各段执行时间相等的吞吐率若一条k段线性流水线，各段执行时间相等，均为，当有n个处理对象连续流入流水线时，流水线的工作过程可用时空图