高级流水线-超长指令字.ppt

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1、高级流水线技术超长指令字网工1101班朱旭宏2011011317张旭2011011316张佳煜2011011331???成员介绍其实张佳煜张旭朱旭宏成员介绍二、流水线核心思想三、工作机制四、其优缺点一、流水线介绍主要内容流水线介绍（1）定义流水线（pipeline）技术是指在程序执行时多条指令重叠进行操作的一种准并行处理实现技术。流水线是Intel首次在486芯片中开始使用的。流水线的工作方式就象工业生产上的装配流水线。在CPU中由5—6个不同功能的电路单元组成一条指令处理流水线，然后将一条X86指令分成5—6步后再由这些电

2、路单元分别执行，这样就能实现在一个CPU时钟周期完成一条指令，因此提高CPU的运算速度。经典奔腾每条整数流水线都分为四级流水，即指令预取、译码、执行、写回结果，浮点流水又分为八级流水。流水线介绍（2）产生背景借鉴了工业流水线制造的思想，现代CPU也采用了流水线设计。在工业制造中采用流水线可以提高单位时间的生产量；同样在CPU中采用流水线设计也有助于提高CPU的频率。例如装配一辆汽车需要4个步骤：冲压、焊接、涂装、总装；同时对应地需要冲压、焊接、涂装和总装四个工人。采用流水线的制造方式，同一时刻四辆汽车在装配。如果不采用流水线

3、，那么第一辆汽车依次经过上述四个步骤装配完成之后，下一辆汽车才开始进行装配，最早期的工业制造就是采用的这种原始的方式。未采用流水线的原始制造方式，同一时刻只有一辆汽车在装配。流水线介绍不久之后就发现，某个时段中一辆汽车在进行装配时，其它三个工人处于闲置状态，显然这是对资源的极大浪费！于是开始思考能有效利用资源的方法：在第一辆汽车经过冲压进入焊接工序的时候，立刻开始进行第二辆汽车的冲压，而不是等到第一辆汽车经过全部四个工序后才开始。之后的每一辆汽车都是在前一辆冲压完毕后立刻进入冲压工序，这样在后续生产中就能够保证四个工人一直处

4、于运行状态，不会造成人员的闲置。这样的生产方式就好似流水川流不息，因此被称为流水线。流水线介绍（3）计算机应用CPU的工作也可以大致分为指令的获取、解码、运算和结果的写入四个步骤，采用流水线设计之后，指令（好比待装配的汽车）就可以连续不断地进行处理。在同一个较长的时间段内，显然拥有流水线设计的CPU能够处理更多的指令。流水线核心思想超常指令字（1）定义超常指令字（VLIW：VeryLongInstructionWord）是由美国Yale大学教授Fisher提出的。它有点类似于超级标量，是一条指令来实现多个操作的并行执行，之所

5、以放到一条指令是为了减少内存访问。通常一条指令多达上百位，有若干操作数，每条指令可以做不同的几种运算。那些指令可以并行执行是由编译器来选择的。通常VLIW机只有一个控制器，每个周期启动一条长指令，长指令被分为几个字段，每个字段控制相应的部件。由于编译器需要考虑数据相关性，避免冲突，并且尽可能利用并行，完成指令调度，所以硬件结构较简单。超常指令字（2）工作机制在一个基本时钟周期内能够分时发射多条指令的处理机，一般流水线的级数多达8条及以上。超流水线处理机采用多相的高频时钟。一台度为m的超流水线处理机的时钟Δt’只是基本时钟周期

6、Δt的1/m。如果一条指令的解释需要K个Δt，则共需KmΔt’的时钟解释。让指令之间错开一个Δt’的时间，重叠流水地工作，执行完N条指令的时间为：[K+(N-1)/m]Δt当N趋于无穷大时，并行度可达到最大值m。超长指令字（3）优缺点优点①把能并行执行的多条指令组装成一条很长的指令②设置多个功能部件③指令字被分割成一些字段，每个字段称为一个操作槽，直接独立地控制一个功能部件。④超长指令字结构的处理器采用软件静态编译的方法替代动态调度，由编译器完成在更大范围内的指令调度，有效地降低了流水线的复杂度，使单芯片上可以容纳更多的重复

7、资源以同时处理多条指令。超长指令字（3）优缺点缺点①程序代码长度增加了提高并行性而进行的大量的循环展开。指令字中的操作槽并非总能填满。②采用了锁步机制任何一个操作部件出现停顿时，整个处理机都要停顿。③机器代码的不兼容性超长指令字（4）应用超长指令字DSP面向MP3、PMP中的SoC应用台湾地区的研究人员已自主开发出了一种超长指令字(VLIW)DSP，适用于MP3、PMP及其它低功耗便携产品中的SoC。同时，他们也在致力于开发下一代多内核、多线程架构，以处理高清编码或视频搜索之类的任务。谢谢！