《计算机系统结构》电子教案

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1、第5章指令级并行硬件方法（P111）（指令级，多发射或乱序执行，动态调度）本章学习由硬件（即流水线控制器）实现的指令级并行方法，主要内容是流水线的多指令控制技术，目的是让处理机中同时流动更多的指令，减少各种原因造成的停顿，以缩短程序执行时间。5.1指令级并行的概念（重点）5.2相关与指令级并行5.3指令的动态调度5.4动态分支预测技术（重点）5.5多指令流出技术（重点）2014.2.171计算机系统结构从执行程序的角度来看，并行性等级从低到高可分为：指令内部并行：单条指令中各微操作之间的并行。指令级并行：并行执行两条或两条以上的指令。线程级并行：并行执行两个或两个以上

2、的线程。通常是以一个进程内派生的多个线程为调度单位。任务级或过程级并行：并行执行两个或两个以上的过程或任务（程序段）。以子程序或进程为调度单元。作业或程序级并行：并行执行两个或两个以上的作业或程序。并行性等级的划分（P23，1.5.1节）2014.2.172计算机系统结构指令级并行的英文缩写是ILP（Instruction-LevelParallelism）开发ILP的途径有两种：资源重复，重复设置多个处理部件，让它们同时执行相邻或相近的多条指令；采用流水线技术，使指令重叠并行执行。(1)狭义指令级并行超标量SuperScalar（设备重复）超长指令字VeryLong

3、InstructionWord（简称VLIW）(2)广义指令级并行流水线Pipeline（设备细分）超级流水线SuperPipeline(3)线程级并行超线程Hyper-Threading（简称HT）(4)任务线程多核处理机Multicore5.1指令级并行的概念2014.2.173计算机系统结构静态调度（软件方法）：在程序执行前，在编译过程中对目标指令序列进行优化，避免将来由于相关和冲突造成的停顿。主要手段是将冲突指令错开启动时间、变量换名等。动态调度（硬件方法）：在程序执行中，由专门硬件预测将要发生的冲突、控制指令在流水线中的流动，避免停顿。2.流水线处理机的实际

4、CPI=理想流水线的CPI加上各类停顿的时钟周期数：CPI流水线=CPI理想+停顿结构冲突+停顿数据冲突+停顿控制冲突CPI理想是衡量流水线最高性能的一个指标。本式表明降低实际CPI有许多途径。换一个角度，有时从CPI的倒数看问题会有新思路，IPC（InstructionsPerCycle）是每个时钟周期完成的指令条数。在不能缩短单条指令周期数的情况下，在每个时钟周期里启动更多的指令（提高IPC），同样可以提高处理机的性能。这就是ILP的基本思想。1.开发ILP的方法分类2014.2.174计算机系统结构基本程序块：一串连续的代码除了入口和出口以外，没有其他的分支指令

5、和转入点。程序平均每4～7条指令就会有一个分支。4.循环级并行：使一个循环中的不同循环体并行执行。开发循环的不同叠代之间存在的并行性（最常见、最基本思路）这是指令级并行研究的重点之一5.最基本的开发循环级并行的技术循环展开（loopunrolling）技术采用向量指令和向量数据表示3.基本程序块2014.2.175计算机系统结构多发射技术（MultipleIssue）：同时启动多条指令。为什么要多发射？在传统流水线上，要减少CPU时间，可以减少CPI或者Cycle。CPI的下限是1，减少Cycle碰到了“4G墙”（指Intel公司开发4GHzP4计划失败，因为功耗正比

6、于主频3次方），工程师们无奈又回头来打CPI的主意，想使CPI低于1，即在一个时钟周期内流出多条指令。狭义的多指令流出技术（同时启动）包括超标量(Superscalar)和超长指令字(VLIW)，广义的多指令流出技术（分时启动）还包括超流水线(Superpipeline)等。超标量采用多条流水线的多发射技术，每个时钟周期流出的指令数不定，既可以使用编译器静态调度，也可以使用硬件动态调度。由于管理乱序流动中指令相关问题的硬件复杂度非常大，所以目前超标量CPU的ILP没有超过8的。采用单发射技术的传统处理机又被称为“标量处理机”。5.5多指令流出技术（又称多发射技术，P1

7、41）2014.2.176计算机系统结构超长指令字CPU采用长指令单发射，多个执行部件同时执行小指令的方法，每个时钟周期流出的小指令数是限定的。在编译过程中，由编译程序来判断实际指令之间的相关关系，进行静态调度，把抽取ILP的复杂工作转移给编译器，而执行指令的硬件则大大简化，也比较规则，有利于低功耗设计。超流水线则是将每个功能部件进一步流水化，使得一个功能部件在一拍中可以分时处理多条指令。5.5多指令流出技术（续）2014.2.177计算机系统结构5.5.0超标量技术：一个时钟节拍内同时发射多条指令（P142第1段）。时空图“超标量”的前身是“多操作