重叠流水和向量处理机.ppt

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1、第5章重叠、流水和向量处理机5.1重叠解释方式5.2流水方式5.3向量的流水处理与向量流水处理机5.4指令级高度并行的超级处理机5.1重叠解释方式5.1.1基本思想和一次重叠图5.1对一条机器指令的解释取指令分析执行t图5.2指令的顺序解释与重叠解释图5.3一次重叠工作方式图5.4当第k条指令是条件转移时如果采用VonNeumann型机器上指令可修改的办法经第k条指令的执行来形成第k+1条指令，如k：存通用寄存器，k+1；(通用寄存器)→k+1k+1:……由于在“执行k”的末尾才形成第k+1条指令，按照一次重叠的时间关系，“分析

2、k+1”所分析的是早已取进指缓的第k+1条指令的旧内容，这就会出错。为了避免出错，第k、k+1条指令就不能同时解释，我们称此时这两条指令之间发生了“指令相关”。特别是当指令缓冲器可缓冲存放n条指令情况下，执行到第k条指令时，与已预取进指缓的第k+1到第k+n条指令都有可能发生指令相关。指缓容量越大，或者说指令预处理能力愈强的机器发生指令相关的概率就愈高。5.1.2相关处理1.指令相关的处理“执行”指令是IBM370机器为此设置的一条指令，其形式为执行R1X2B2D2当执行到“执行”指令时，按第二操作数(X2)+(B2)+D2地址取出操

3、作数区中单元的内容作为指令来执行，参见图5.5。图5.5IBM370“执行”指令的执行2.主存空间数相关的处理图5.6主存数相关的处理3.通用寄存器组相关的处理设机器的基本指令格式为操作码L1L3B2d2或操作码L1L3L2图5.7指令解释过程中与通用寄存器内容有关的微操作时间关系图5.8“执行k”、“分析k+1”重叠时，访问通用寄存器组的时间关系图5.9用相关专用通路解决通用寄存器组的数相关设操作数的有效地址由分析器内的地址加法器形成。由于通常情况下，“分析”周期等于主存周期，所以，从时间关系上要求在“分析”周期的前半段，就

4、能由通用寄存器输出总线取得(B2)，送入地址加法器。由于运算结果是在“执行”周期的末尾才送入通用寄存器组的，它当然不能立即出现在通用寄存器输出总线上。也就是说，在“执行k”得到的、送入通用寄存器的运算结果来不及作为“分析k+2”的基址值用，更不用说作为“分析k+1”的基址值用。因此，虽然是一次重叠，但基址值相关(B相关)就不止会出现一次相关，还会出现二次相关。即当出现B(k+1)=L3(k)时，称为发生了B一次相关；而当出现B(k+2)=L3(k)时，称为发生了B二次相关，如图5.10所示。图5.10B一次相关与二次相关图5.11B一

5、次、二次相关的推后处理图5.12B相关专用通路法5.2流水方式5.2.1基本概念1.流水是重叠的引申图5.13指令分解为“分析”与“执行”子过程图5.14流水处理2.流水线的分类图5.15处理机间的流水处理图5.16ASC机运算器的流水线图5.17静、动态多功能流水线时-空图举例图5.18非线性流水线举例5.2.2流水线处理机的主要性能吞吐率吞吐率是流水线单位时间里能流出的任务数或结果数。在图5.14的流水线例子中，各个子过程经过的时间都是Δt2，满负荷后，流水线每隔Δt2解释完一条指令，其最大吞吐率TPmax为1/Δt2。实际上，

6、各个子过程进行的工作不相同，所经过的时间也就不一定相同，所以前述在子过程间设置了接口锁存器，让各锁存器都受同一时钟脉冲同步。时钟脉冲周期直接影响流水线的最大吞吐率，总希望它越小越好。如果各个子过程所需的时间分别为Δt1、Δt2、Δt3、Δt4，时钟周期应当为max｛Δt1,Δt2,Δt3,Δt4｝，即流水线的最大吞吐率它受限于流水线中最慢子过程所需要的时间。称流水线中经过时间最长的子过程为瓶颈子过程。图5.19最大吞吐率取决于瓶颈段的时间图5.20瓶颈子过程再细分图5.21瓶颈子过程并联设一m段流水线的各段经过时间均为Δt0，则第1

7、条指令从流入到流出需要T0=mΔt0的流水建立时间，之后每隔Δt0就可以流出一条指令，其时—空图如图5.22所示(这里设m=4)。这样，完成n个任务的解释共需时间T=m·Δt0+(n-1)Δt0。在这段时间里，流水线的实际吞吐率图5.22从时—空图分析实际的吞吐率不仅实际的吞吐率总是小于最大的吞吐率，而且只有当n>>m时，才能使实际的吞吐率接近于理想的最大吞吐率。如果用加速比(SpeedupRatio,Sp)表示流水线方式相对非流水线顺序串行方式速度提高的比值，那么，非流水线顺序串行方式工作，连续完成n个任务需要n·m·Δt0的时间

8、，因此，流水线方式工作的加速比如果线性流水线各段经过的时间Δti不等，其中瓶颈段的时间为Δtj，则完成n个任务所能达到的实际吞吐率其加速比2.效率流水线的效率是指流水线中的设备实际使用时间占整个运行时间之比，也称流水线