流水线技术概要.ppt

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1、第二章流水线技术流水线是计算机体系结构设计中普遍应用的技术。本章介绍流水线的基本概念、表示方法、和分类，讨论流水线实现的基本结构、线性流水线的性能与非线性流水线的调度策略，分析流水线的相关及其处理方法。第一节流水线的基本概念第二节处理机实现流水线的基本结构第三节线性流水线的性能及其分析第四节流水线的相关及其处理第五节非线性流水线的调度一、多条指令的执行方式二、什么是流水线三、流水线的表示方法四、流水线的分类五、流水线的特点第一节流水线的基本概念一、多条指令的执行方式一条指令的执行过程可以分为多个阶段，通常分为取指令、分析指令、执行指令三个阶段。现假设三个阶段所需要的时间均为t。（

2、1）顺序方式。顺序执行方式是指在任何时刻，处理机中只有一条指令在执行。执行n条指令所需要的时间为T=3nt。控制简单，节省设备。执行指令速度慢，功能部件的利用率低。（2）一次重叠方式。一次重叠执行方式是指在任何时刻，处理机中至多只有二条指令在同时执行。执行n条指令所需要的时间为T=(2n+1)t。时间缩短了近一半，功能部件利用率高。需要增加一些硬件，控制过程也复杂一些。（3）二次重叠方式。二次重叠执行方式是指在任何时刻，处理机中至多可以有三条指令在同时执行。执行n条指令所需要的时间为T=(n+2)t。时间缩短了近2/3，提高指令的执行速度。付出更高的代价。取指k分析k执行k取指k

3、+1分析k+1执行k+1取指k分析k执行k取指k+1分析k+1执行k+1取指k+2分析k+2执行k+2取指k分析k执行k取指k+1分析k+1执行k+1取指k+2分析k+2执行k+2顺序执行方式一次重叠执行方式二次重叠执行方式二、什么是流水线计算机中的流水线与工厂中的生产流水线十分相似，它是指把一个重复的过程分解为若干个子过程，一个过程的子过程可以与其它过程的不同的子过程并行进行，实现不同过程在时间上重叠进行的工作方式。实现流水线的技术方法称为流水线技术。从本质上讲，流水线技术是一种时间并行技术，是通过时间重叠的技术途径实现并行处理（时间并发性）。根据子过程划分，相应的流水线也要划

4、分出相应的段，每一个段称为流水节拍、流水步、流水步骤、流水阶段、流水段、功能段等。一个流水阶段与另外一个流水阶段相连接形成流水线。过程从流水线的一端进入，经过流水线的处理，从流水线的另一端进出。流水线技术是一种非常经济而又有效的技术，已成为计算机中普遍使用的一种并行处理技术。采用流水线技术只需要增加少量的硬件，就能够把处理机的运算速度提高几倍。三、流水线的表示方法流水线的表示方法有三种：连接图、时空图和预约表，其中时空图用于表示线性流水线，预约表用于表示非线性流水线，而连接图则均可表示。1.连接图四个流水段的指令流水线的连接图如图所示，其实质是将带执行时间的各流水段按照流水线的执

5、行顺序从左到右排列，并用带箭头的直线把它们连接起来。2.时空图时空图是一种最常用、能直观描述线性流水线工作过程的表示方法，四个流水段的指令流水的时空图如图所示。其实质是利用平面直角坐标系的第一象限。横坐标表示时间，即是输入到流水线的各个任务在流水线中所经过的时间。纵坐标表示空间，即流水线的每一个流水段。取指令译码执行保存结果取指令译码执行保存结果线性指令流水线的连接图非线性指令流水线的连接图12345123451234512345四功能段指令流水线时空图3.预约表预约表是一种最常用、能直观描述某过程非线性流水线工作状态的表示方法，四个流水段的指令流水线的预约表如图3.4所示。其实

6、质是利用一张表，行表示时间即非线性流水线的段数，列表示空间既任务通过非线性流水线的时间，表中用“×”表示行对应流水段在列对应时间段要被使用。一行中可以有多个“×”，表明同一个任务在不同时间重复使用了同一个流水段；一列中有多个“×”则表明任务在同一时间使用了多个流水段。×××××四功能段非线性指令流水线预约表四、流水线的分类从不同的角度，可以把流水线分成多种不同类型，以反映流水线在某一方面的结构、特点或性能。1.按流水线的功能多寡分类（1）单功能流水线（UnifunctionPipelining）单功能流水线是指只能完成一种固定功能的流水线。输入示阶差对阶规格化尾数加输出六功能段线

7、性单功能流水线的连接图（2）多功能流水线（MultifunctionPipelining）多功能流水线是指流水线的各段可以实现不同的连接，在不同的时间内，或在同一时间内，通过不同的连接方式实现不同的处理功能。输入尾数乘累加输出输入求阶差对阶尾数加规格化输出输入对阶尾数加规格化尾数乘输出累加求阶差定点乘法浮点加法浮点点积TI-ASC计算机的多功能流水线2.按多功能流水线在同一时间内各段连接方式分类在多功能流水线中，按照在同一时间内是否可以实现多种连接，来同时执行多种功能的要求，把多