計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第15講.ppt

,計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) （第15講）,計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu),第一章 基本概念 第二章 指令系統(tǒng) 第三章 存儲系統(tǒng) 第四章 輸入輸出系統(tǒng) 第五章 標量處理機,第六章 向量處理機 第七章 互連網(wǎng)絡(luò) 第八章 并行處理機和 多處理機,第五章 標量處理機,5.1 指令的重疊執(zhí)行方式 5.2 流水線技術(shù) 5.3 超標量處理機 5.4 超流水線處理機 5.5 超標量超流水線處理機,只有標量數(shù)據(jù)表示和標量指令系統(tǒng)的處理機稱為標量處理機 提高指令執(zhí)行速度的主要途徑： (1) 提高處理機的工作主頻 (2) 采用更好的算法和設(shè)計更好的功能部件 (3) 采用指令級并行技術(shù) 三種指令級并行處理機： (1) 流水線處理機和超流水線(Super- pipelining)處理機 (2) 超標量(Superscalar)處理機 (3) 超長指令字(VLIW: Very Long Instruction Word)處理機,5.1 指令的重疊執(zhí)行方式 1、順序執(zhí)行方式 執(zhí)行n條指令所用的時間為： 如果每段時間都為t，則執(zhí)行n條指令所用的時間為： T=3nt,取指令k,分析k,執(zhí)行k,取指令k+1,分析k+1,執(zhí)行k+1,主要優(yōu)點： 控制簡單，節(jié)省設(shè)備。 主要缺點： 執(zhí)行指令的速度慢，功能部件的利用率很低。 2、一次重疊執(zhí)行方式 一種最簡單的流水線方式 如果兩個過程的時間相等，則執(zhí)行n條指令的時間為：T=(1+2n)t,取指,分析,執(zhí)行,取指,分析,執(zhí)行,取指,分析,執(zhí)行,主要優(yōu)點： 指令的執(zhí)行時間縮短 功能部件的利用率明顯提高 主要缺點： 需要增加一些硬件 控制過程稍復(fù)雜,3、二次重疊執(zhí)行方式 如果三過程的時間相等，執(zhí)行n條指令的時間為：T=(2+n)t 理想情況下同時有三條指令在執(zhí)行 處理機的結(jié)構(gòu)要作比較大的改變，必須采用先行控制方式,取指k+2,分析k+2,執(zhí)行k+2,取指k+1,分析k+1,執(zhí)行k+1,取指k,分析k,執(zhí)行k,先行控制方式的原理 1、采用二次重疊執(zhí)行方式，必須解決兩個問題： (1) 有獨立的取指令部件、指令分析部件 和指令執(zhí)行部件 獨立的控制器： 存儲控制器、指令控制器、運算控制器 (2) 要解決訪問主存儲器的沖突問題 取指令、分析指令、執(zhí)行指令都可能要訪問存儲器 2、解決訪存沖突的方法： (1) 采用低位交叉存取方式： 這種方法不能根本解決沖突問題。 取指令、讀操作數(shù)、寫結(jié)果。,(2) 兩個獨立的存儲器：獨立的指令存儲器和數(shù)據(jù)存儲器。 如果再規(guī)定，執(zhí)行指令所需要的操作數(shù)和執(zhí)行結(jié)果只寫到通用寄存器，那么，取指令、分析指令和執(zhí)行指令就可以同時進行。 在許多高性能處理機中，有獨立的指令Cache和數(shù)據(jù)Cache。 這種結(jié)構(gòu)被稱為哈佛結(jié)構(gòu)。 (3) 采用先行控制技術(shù)。 先行控制技術(shù)的關(guān)鍵是緩沖技術(shù)和預(yù)處理技術(shù)。 緩沖技術(shù)是在工作速度不固定的兩個功能部件之間設(shè)置緩沖棧，用以平滑它們的工作。 在采用了緩沖技術(shù)和預(yù)處理技術(shù)之后，運算器能夠?qū)Ｐ挠跀?shù)據(jù)的運算，從而大幅度提高程序的執(zhí)行速度。,(2) 兩個獨立的存儲器：獨立的指令存儲器和數(shù)據(jù)存儲器。 如果再規(guī)定，執(zhí)行指令所需要的操作數(shù)和執(zhí)行結(jié)果只寫到通用寄存器，那么，取指令、分析指令和執(zhí)行指令就可以同時進行。 在許多高性能處理機中，有獨立的指令Cache和數(shù)據(jù)Cache。 這種結(jié)構(gòu)被稱為哈佛結(jié)構(gòu)。 (3) 采用先行控制技術(shù)。 先行控制技術(shù)的關(guān)鍵是緩沖技術(shù)和預(yù)處理技術(shù)。 緩沖技術(shù)是在工作速度不固定的兩個功能部件之間設(shè)置緩沖棧，用以平滑它們的工作。 在采用了緩沖技術(shù)和預(yù)處理技術(shù)之后，運算器能夠?qū)Ｐ挠跀?shù)據(jù)的運算，從而大幅度提高程序的執(zhí)行速度。,計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) （第16講）,第五章 標量處理機,5.1 先行控制技術(shù) 5.2 流水線技術(shù) 5.3 超標量處理機 5.4 超流水線處理機 5.5 超標量超流水線處理機,5.2 流水線技術(shù) 5.2.1 流水線工作原理 5.2.2 流水線的分類 5.2.3 線性流水線的性能分析 5.2.4 非線性流水線的調(diào)度技術(shù),5.2 流水線技術(shù) 空間并行性： 設(shè)置多個獨立的操作部件 多操作部件處理機 超標量處理機 時間并行性： 采用流水線技術(shù)。 不增加或只增加少量硬件就能使運算速度提高幾倍 流水線處理機 超流水線處理機,5.2.1 流水線工作原理 1、簡單流水線 流水線的每一個階段稱為流水步、流水步驟、流水段、流水線階段、流水功能段、功能段、流水級、流水節(jié)拍等。,分析器 分析k+1,流水 鎖存器,執(zhí)行部件 執(zhí)行k,流水 鎖存器,輸 入,輸 出,t1,t2,在每一個流水段的末尾或開頭必須設(shè)置一個寄存器，稱為流水寄存器、流水鎖存器、流水閘門寄存器等。會增加指令的執(zhí)行時間。 為了簡化，在一般流水線中不畫出流水鎖存器。 2、一種指令流水線,取指,形成操 作數(shù)地址,譯碼,取操 作數(shù),執(zhí)行,保存 結(jié)果,一般4至12個流水段，等于及大于8個流水段的稱為超流水線處理機 3、流水線的時空圖 一條簡單流水線的時空圖：,分析k,分析k+1,分析k+2,分析k+3,執(zhí)行k,執(zhí)行k+1,執(zhí)行k+2,執(zhí)行k+3,時間,空間,0,t1,t2,t3,t4,t5,一個浮點加法器流水線的時空圖(由求階差、對階、尾數(shù)加和規(guī)格化4個流水段組成)：,ED1,時間,空間,0,t1,t2,t3,t4,t5,ED2,ED3,ED4,ED5,EA1,EA2,EA3,EA4,EA5,MA1,MA2,MA3,MA4,MA5,NL1,NL2,NL3,NL4,NL5,t6,t7,t8,NL：規(guī)格化,MA：尾數(shù)加,EA：對階,ED：求階差,4、流水線的主要特點 只有連續(xù)提供同類任務(wù)才能充分發(fā)揮流水線的效率： 對于指令流水線：要盡量減少因條件分支造成的“斷流” 對于操作部件：主要通過編譯技術(shù)，盡量提供連續(xù)的同類操作 在流水線的每一個流水線段中都要設(shè)置一個流水鎖存器 時間開銷：流水線的執(zhí)行時間加長 是流水線中需要增加的主要硬件之一,各流水段的時間應(yīng)盡量相等 流水線處理機的基本時鐘周期等于時間最長的流水段的時間長度 流水線需要有“裝入時間”和“排空時間”,5.2.2 流水線的分類 1、線性流水線與非線性流水線 流水線的各個流水段之間是否有反饋信號 線性流水線(Linear Pipelining) 每個流水段都流過一次，且僅流過一次 非線性流水線(Nonlinear Pipelining) 在流水線的某些流水段之間有反饋回路或前饋回路 線性流水線能夠用流水線連接圖唯一表示 非線性流水線必須用流水線連接圖流水線預(yù)約表等共同表示,S1,輸入,S2,S3,輸出,前饋回路,反饋回路,一種簡單的非線性流水線,計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) （第17講）,2、按照流水線的級別來分 處理機級流水線, 又稱為指令流水線 (Instruction Pipelining) 例如：在采用先行控制器的處理機中，各功能部件之間的流水線,先行指令 緩沖棧,輸入,先行控制方式 中的指令流水線,先行指令 分析器,先行讀數(shù)棧 先行操作棧,取指,譯碼,取操作數(shù),指令執(zhí) 行部件,后行 寫數(shù)棧,輸出,執(zhí)行,寫結(jié)果,部件級流水線（操作流水線），如浮點加法器流水線 處理機之間的流水線稱為宏流水線 (Macro Pipelining) 每個處理機對同一個數(shù)據(jù)流的不同部分分別進行處理,求階差,輸入,輸出,t1,對階,尾數(shù)加,規(guī)格化,t2,t3,t4,P1,輸 入,任務(wù)1,M,M,P2,任務(wù)2,M,P3,任務(wù)3,輸 出,3、單功能流水線與多功能流水線 單功能流水線： 只能完成一種固定功能的流水線 Cray-1計算機中有12條；YH-1計算機有18條；Pentium有一條5段的定點和一條8段的浮點流水線；Pentium有三條指令流水線，其中兩條定點指令流水線，一條浮點指令流水線。,多功能流水線： 流水線的各段通過不同連接實現(xiàn)不同功能 Texas公司的ASC計算機中的8段流水線，能夠?qū)崿F(xiàn)：定點加減法、定點乘法、浮點加法、浮點乘法、邏輯運算、移位操作、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、向量運算等。,4、靜態(tài)流水線與動態(tài)流水線 靜態(tài)流水線： 同一段時間內(nèi)，多功能流水線中的各個功能段只能按照一種固定的方式連接，實現(xiàn)一種固定的功能。 只有連續(xù)出現(xiàn)同一種運算時，流水線的效率才能得到充分的發(fā)揮。 動態(tài)流水線： 在同一段時間內(nèi)，多功能流水線中的各段可以按照不同的方式連接，同時執(zhí)行多種功能。,1,時間,空間,0,2,3,n,1,2,3,n,1,2,3,n,1,2,3,n,1,2,3,n,1,2,3,n,1,2,3,4,1,2,3,1,2,1,輸入,求階差,對階,尾數(shù)加,規(guī)格化,尾數(shù)乘,累加,輸出,靜態(tài)流水線時空圖,浮點加法,定點乘法,1,時間,空間,0,2,3,n,1,2,3,n,1,2,3,n,1,2,3,n,1,2,3,n,1,2,3,n,輸入,求階差,對階,尾數(shù)加,規(guī)格化,尾數(shù)乘,累加,輸出,動態(tài)流水線時空圖,1,2,3,5,4,6,1,2,3,5,4,1,2,3,4,1,2,3,浮點加法,定點乘法,5、流水線的其他分類方法 按照數(shù)據(jù)表示方式： 標量流水線和向量流水線 按照控制方式：同步流水線和異步流水線 順序流水線與亂序流水線： 亂序流水線又稱為無序流水線、錯序流水線或異步流水線等,S1,就緒,回答,S2,就緒,回答,S3,就緒,回答,輸出,就緒,回答,輸入,5.2.3 線性流水線的性能分析 衡量流水線性能的主要指標有： 吞吐率、加速比和效率 1、吞吐率（Though Put） 求流水線吞吐率的最基本公式：TP = n / Tk n為任務(wù)數(shù), Tk為完成n個任務(wù)所用時間 各段執(zhí)行時間相等，輸入連續(xù)任務(wù)情況下完成n個連續(xù)任務(wù)需要的總時間為： Tk= (k+n-1) t k為流水線的段數(shù)， t為時鐘周期,1,時間,空間,S1,2,3,n-1,n,S2,S3,S4,1,2,3,n-1,n,1,2,3,n-1,n,1,2,3,n-1,n,kt,(n-1) t,nt,(k-1)t,T,吞吐率： 最大吞吐率為： 各段執(zhí)行時間不相等、輸入連續(xù)任務(wù)情況下： 吞吐率為： 最大吞吐率為：,流水線各段執(zhí)行時間不相等的解決辦法,S1,輸 入,t1=t,S2,t2=3t,S3,t3=t,S4,t4=t,輸 出,1,時間,空間,S1,S2,S3,S4,ti,(n-1)t2,Tk,2,3,n,1,2,3,n,1,2,3,n,1,2,3,n,一是將“瓶頸”流水段細分(如果可分的話)： 二是將 “瓶頸”流水段重復(fù)設(shè)置：,S1,輸入,輸出,t,S2-1,t,S2-2,t,S2-3,t,S3,t,S4,t,S2(3t),S1,輸入,輸出,t1=t,S2-1,S2-1,S2-1,S3,S4,t3=t,t4=t,t2=3t,1,時間,空間,2,3,n,S1,流水段重復(fù)設(shè)置的流水線,S2-1,4,5,6,1,4,-2,-1,n-2,2,5,n-1,3,6,n,1,2,3,n,4,5,6,-2,-1,1,2,3,n,4,5,6,-2,-1,S2-2,S2-3,S3,S4,2、加速比（Speedup） 計算流水線加速比的基本公式： S = 順序執(zhí)行時間T0 / 流水線執(zhí)行時間Tk 各段執(zhí)行時間相等，輸入連續(xù)任務(wù)情況下 加速比為： 最大加速比為： 各段執(zhí)行時間不等，輸入連續(xù)任務(wù)情況下實際加速比為：,計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) （第18講）,5.2.3 線性流水線的性能分析 衡量流水線性能的主要指標有： 吞吐率、加速比和效率 1、吞吐率（Though Put） 求流水線吞吐率的最基本公式：TP = n / Tk n為任務(wù)數(shù), Tk為完成n個任務(wù)所用時間 各段執(zhí)行時間相等，輸入連續(xù)任務(wù)情況下完成n個連續(xù)任務(wù)需要的總時間為： Tk= (k+n-1) t k為流水線的段數(shù)， t為時鐘周期,1,時間,空間,S1,2,3,n-1,n,S2,S3,S4,1,2,3,n-1,n,1,2,3,n-1,n,1,2,3,n-1,n,kt,(n-1) t,nt,(k-1)t,T,吞吐率： 最大吞吐率為： 各段執(zhí)行時間不相等、輸入連續(xù)任務(wù)情況下： 吞吐率為： 最大吞吐率為：,2、加速比（Speedup） 計算流水線加速比的基本公式： S = 順序執(zhí)行時間T0 / 流水線執(zhí)行時間Tk 各段執(zhí)行時間相等，輸入連續(xù)任務(wù)情況下 加速比為： 最大加速比為： 各段執(zhí)行時間不等，輸入連續(xù)任務(wù)情況下實際加速比為：,K=6,K=10,任務(wù) 個數(shù),加速比,10,2,4,6,8,1,1,2,4,8,16,32,64,128,3、效率（Efficiency） 計算流水線效率的一般公式： 各流水段執(zhí)行時間相等，輸入n個連續(xù)任務(wù) 流水線的效率為： 流水線的最高效率為： 各流水段執(zhí)行時間不等，輸入n個連續(xù)任務(wù) 流水線的效率為：,流水線各段的設(shè)備量或各段的價格不相等時： 流水線的效率為： 即： 其中，ai k，且,流水線的吞吐率、加速比與效率的關(guān)系： 因為 因此：E=TP t ，S=kE 5、流水線性能分析舉例 對于單功能線性流水線，輸入連續(xù)任務(wù)的情況，通過上面給出的公式很容易計算出流水線的吞吐率、加速比和效率。 例5.2：用一條4段浮點加法器流水線求8個浮點數(shù)的和： ZABCDEFGH,解： Z = (A+B) + (C+D) + (E+F) + (G+H),1,時間,空間,2,3,求階差,4,5,6,7,1,2,3,4,5,6,7,1,2,3,4,5,6,7,1,2,3,4,5,6,7,對階,尾數(shù)加,規(guī)格化,加數(shù),A,C,E,G,A+B,E+F,B,D,F,H,C+D,G+H,A+B+C+D,E+F+G+H,結(jié)果,A+B,C+D,E+F,G+H,A+B+C+D,E+F+G+H,7個浮點加法共用了15個時鐘周期。 流水線的吞吐率為： 流水線的加速比為： 流水線的效率為：,第五章 標量處理機,5.1 先行控制技術(shù) 5.2 流水線技術(shù) 5.3 超標量處理機 5.4 超流水線處理機 5.5 超標量超流水線處理機,5.3 超標量處理機 5.3.1 基本結(jié)構(gòu) 5.3.2 單發(fā)射與多發(fā)射,超標量處理機： Intel公司的i860, i960, Pentium處理機Motolora公司的MC88110 IBM公司的Power 6000 SUN公司的SuperSPARC等。 超流水線處理機： SGI公司的MIPS R4000, R5000, R10000等。 超標量超流水線處理機： DEC公司的Alpha等。,k段流水 線基準標 量處理機,m度 超標量,n度超 流水線,(m,n)度 超標量 超流水,機器類型,機器流水 線周期,同時發(fā)射 指令條數(shù),指令發(fā)射 等待時間,指令級并 行度ILP,1個時 鐘周期,1條,1個時 鐘周期,1,1,m,1,m,1/n,1,1/n,n,1/n,m,1/n,mn,超標量、超流水、超標量超流水處理機的主要性能,5.3.1 基本結(jié)構(gòu) 一般流水線處理機： 一條指令流水線， 一個多功能操作部件，每個時鐘周期平均執(zhí)行指令的條數(shù)小于1。 多操作部件處理機： 一條指令流水線， 多個獨立的操作部件，操作部件可以采用流水線，也可以不流水。多操作部件處理機的指令級并行度小于1。,超標量處理機典型結(jié)構(gòu)： 多條指令流水線 先進的超標量處理機有：定點處理部件CPU，浮點處理部件FPU,圖形加速部件GPU 大量的通用寄存器，兩個一級高速Cache 超標量處理機的指令級并行度大于1,Motorola公司的MC88110： 10個操作部件 兩個寄存器堆：整數(shù)部件通用寄存器堆，32個32位寄存器；浮點部件擴展寄存器堆，32個80位寄存器。每個寄存器堆有8個端口，分別與8條內(nèi)部總線相連接，有一個緩沖深度為4的先行讀數(shù)棧和一個緩沖深度為3的后行寫數(shù)棧。 兩個獨立的高速Cache中，各為8KB，采用兩路組相聯(lián)方式， 轉(zhuǎn)移目標指令Cache，在有兩路分支時，存放其中一路分支上的指令,計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) （第19講）,Motorola公司的MC88110： 10個操作部件 兩個寄存器堆：整數(shù)部件通用寄存器堆，32個32位寄存器；浮點部件擴展寄存器堆，32個80位寄存器。每個寄存器堆有8個端口，分別與8條內(nèi)部總線相連接，有一個緩沖深度為4的先行讀數(shù)棧和一個緩沖深度為3的后行寫數(shù)棧。 兩個獨立的高速Cache中，各為8KB，采用兩路組相聯(lián)方式， 轉(zhuǎn)移目標指令Cache，在有兩路分支時，存放其中一路分支上的指令,整數(shù) 部件,整數(shù) 部件,位 操作,浮點 加,乘法 部件,除法 部件,圖形 部件,圖形 部件,內(nèi)部總線,讀數(shù)存 數(shù)部件,通用寄 存器堆,擴展寄 存器堆,目標 指令,指令分配 轉(zhuǎn)移部件,數(shù)據(jù)Cache (8KB),指令Cache (8KB),系統(tǒng)總線,32位地址總線,32位數(shù)據(jù)總線,超標量處理機MC88110的結(jié)構(gòu),5.3.2 單發(fā)射與多發(fā)射 單發(fā)射處理機： 每個周期只取一條指令、只譯碼一條指令，只執(zhí)行一條指令，只寫回一個運算結(jié)果 取指部件和譯碼部件各設(shè)置一套 可以只設(shè)置一個多功能操作部件，也可以設(shè)置多個獨立的操作部件 操作部件中可以采用流水線結(jié)構(gòu)，也可以不采用流水線結(jié)構(gòu) 設(shè)計目標是每個時鐘周期平均執(zhí)行一條指令，ILP的期望值1,IF,時鐘 周期,指令,I1,I2,I3,ID,EX,WR,IF,ID,EX,WR,IF,ID,EX,WR,1,2,3,4,5,6,單發(fā)射處理機的指令流水線時空圖,IF,ID,FA1,FA2,FA3,MD1,MD2,MD3,AL,LS,浮點加法部件,乘除法部件,定點ALU部件,取數(shù)存數(shù)部件,WR,來自指 令Cache,通用寄存器 后行寫數(shù)棧,多發(fā)射處理機： 每個周期同時取多條指令、同時譯碼多條指令，同時執(zhí)行多條指令，同時寫回多個運算結(jié)果 需要多個取指令部件，多個指令譯碼部件和多個寫結(jié)果部件 設(shè)置多個指令執(zhí)行部件，復(fù)雜的指令執(zhí)行部件一般采用流水線結(jié)構(gòu) 設(shè)計目標是每個時鐘周期平均執(zhí)行多條指令，ILP的期望值大于1,IF,時鐘 周期,指令,I1,I2,I3,ID,EX,WR,1,2,3,4,5,6,多發(fā)射處理機的指令流水線時空圖,I4,I5,I6,IF,ID,EX,WR,I7,I8,I9,IF,ID,EX,WR,IF,ID,EX,WR,IF,ID,EX,WR,IF,ID,EX,WR,IF,ID,EX,WR,IF,ID,EX,WR,IF,ID,EX,WR,IF,ID,FA1,FA2,FA3,MD1,MD2,MD3,AL,LS,浮點加法部件,乘除法部件,定點ALU部件,取數(shù)存數(shù)部件,WR,IF,ID,WR,超標量處理機： 一個時鐘周期內(nèi)能夠同時發(fā)射多條指令的處理機稱為超標量處理機 必須有兩條或兩條以上能夠同時工作的指令流水線 先行指令窗口： 能夠從指令Cache中預(yù)取多條指令 能夠?qū)Υ翱趦?nèi)的指令進行數(shù)據(jù)相關(guān)性分析和功能部件沖突的檢測 窗口的大?。阂话銥?至8條指令 采用目前的指令調(diào)度技術(shù)，每個周期發(fā)射2至4條指令比較合理,例如： Intel公司的i860、i960、Pentium處理機，Motolora公司的MC88110處理機，IBM公司的Power 6000處理機等每個周期都發(fā)射兩條指令 TI公司生產(chǎn)的SuperSPARC處理機以及Intel的Pentium III處理機等每個周期發(fā)射三條指令 操作部件的個數(shù)多于每個周期發(fā)射的指令條數(shù)。4個至16個操作部件 超標量處理機的指令級并行度：1ILPm；m為每個周期發(fā)射的指令條數(shù)。,IF,ID,FA1,FA2,FA3,MD1,MD2,MD3,AL,LS,浮點加法部件,乘除法部件,定點ALU部件,取數(shù)存數(shù)部件,WR,IF,ID,WR,IF,ID,先行指 令窗口,第五章 標量處理機,5.1 先行控制技術(shù) 5.2 流水線技術(shù) 5.3 超標量處理機 5.4 超流水線處理機 5.5 超標量超流水線處理機,5.4 超流水線處理機 兩種定義： 一個周期內(nèi)能夠分時發(fā)射多條指令的處理機稱為超流水線處理機 指令流水線有8個或更多功能段的流水線處理機稱為超流水線處理機 提高處理機性能的不同方法： 超標量處理機是通過增加硬件資源為代價來換取處理機性能的 超流水線處理機則通過各硬件部件充分重疊工作來提高處理機性能,兩種不同并行性： 超標量處理機采用的是空間并行性 超流水線處理機采用的是時間并行性,5.4.1 指令執(zhí)行時序 每隔1/n個時鐘周期發(fā)射一條指令，流水線周期為1/n個時鐘周期 在超標量處理機中，流水線的有些功能段還可以進一步細分 例如：ID功能段可以再細分為譯碼、讀第一操作數(shù)和讀第二操作數(shù)三個流水段。也有些功能段不能再細分，如WR功能段一般不再細分。因此有超流水線的另外一種定義：有8個或8個以上流水段的處理機稱為超流水線處理機,IF,時鐘 周期,指令,I1,I2,I3,ID,EX,WR,1,2,3,4,5,6,每個時鐘周期分時發(fā)送3條指令的超流水線,I4,I5,I6,IF,ID,EX,WR,I7,I8,I9,IF,ID,EX,WR,IF,ID,EX,WR,IF,ID,EX,WR,IF,ID,EX,WR,IF,ID,EX,WR,IF,ID,EX,WR,IF,ID,EX,WR,5.4.2 典型處理機結(jié)構(gòu) MIPS R4000處理機每個時鐘周期包含兩個流水段，是一種很標準的超流水線處理機結(jié)構(gòu)。指令流水線有8個流水段 有兩個Cache，指令Cache和數(shù)據(jù)Cache的容量各8KB，每個時鐘周期可以訪問Cache兩次，因此在一個時鐘周期內(nèi)可以從指令Cache中讀出兩條指令，從數(shù)據(jù)Cache中讀出或?qū)懭雰蓚€數(shù)據(jù)。 主要運算部件有整數(shù)部件和浮點部件,指令 Cache,MIPS R4000處理機的流水線操作,IF：取第一條指令 IS：取第二條指令 RF：讀寄存器堆，指令譯碼 EX：執(zhí)行指令 DF：取第一個數(shù)據(jù) DS：取第二個數(shù)據(jù) TC：數(shù)據(jù)標志 校驗；WB：寫回結(jié)果,指令 譯碼,讀寄 存器堆,ALU,數(shù)據(jù) Cache,標志檢驗,寄存 器堆,IF,IS,RF,EX,DF,DS,WB,TC,IF,流水線周期,當前CPU周期,IS,RF,EX,DF,DS,TC,WB,IF,IS,RF,EX,DF,DS,TC,WB,IF,IS,RF,EX,DF,DS,TC,WB,IF,IS,RF,EX,DF,DS,TC,WB,IF,IS,RF,EX,DF,DS,TC,WB,IF,IS,RF,EX,DF,DS,TC,WB,IF,IS,RF,EX,DF,DS,TC,WB,IF,IS,RF,EX,DF,DS,TC,WB,主時 鐘 周期,MIPS R4000正常指令流水線工作時序,如果在LOAD指令之后的兩條指令中，任何一條指令要在它的EX流水級使用這個數(shù)據(jù)，則指令流水線要暫停一個時鐘周期 采用順序發(fā)射方式,暫停,IF,IS,RF,EX,DF,DS,TC,WB,MIPS R4000正常指令流水線工作時序,IS,RF,EX,DF,DS,TC,WB,RF,EX,DF,DS,TC,WB,EX,DF,DS,TC,WB,EX,DF,DS,TC,WB,DF,DS,TC,WB,IF,IS,RF,I1,I2,I3,I4,I5,I6,運行,運行,Load指令,使用Load數(shù)據(jù),5.4.3 超流水線處理機性能 指令級并行度為(1,n)的超流水線處理機，執(zhí)行N條指令所的時間為： 超流水線處理機相對于單流水線普通標量處理機的加速比為：,即： 超流水線處理機的加速比的最大值為：S(1,n)MAX = n,第五章 標量處理機,5.1 先行控制技術(shù) 5.2 流水線技術(shù) 5.3 超標量處理機 5.4 超流水線處理機 5.5 超標量超流水線處理機,5.5 超標量超流水線處理機 把超標量與超流水線技術(shù)結(jié)合在一起，就成為超標量超流水線處理機 5.5.1 指令執(zhí)行時序 5.5.2 典型處理機結(jié)構(gòu) 5.5.3 超標量超流水線處理機性能 5.5.4 三種指令級并行性處理機性能比較,5.5.1 指令執(zhí)行時序 超標量超流水線處理機在一個時鐘周期內(nèi)分時發(fā)射指令n次，每次同時發(fā)射指令m條，每個時鐘周期總共發(fā)射指令m n條。,IF,時鐘周期,指令,I1,I2,I3,ID,EX,WR,1,2,3,4,5,I4,I5,I6,I7,I8,I9,IF,ID,EX,WR,IF,ID,EX,WR,IF,ID,EX,WR,IF,ID,EX,WR,IF,ID,EX,WR,IF,ID,EX,WR,IF,ID,EX,WR,IF,ID,EX,WR,IF,ID,EX,WR,IF,ID,EX,WR,IF,ID,EX,WR,I10,I11,I12,每時鐘周期發(fā)射3次,每次3條指令,5.5.2 典型處理機結(jié)構(gòu) DEC公司的Alpha處理機采用超標量超流水線結(jié)構(gòu)。主要由四個功能部件和兩個Cache組成：整數(shù)部件EBOX、浮點部件FBOX、地址部件ABOX和中央控制部件IBOX。 中央控制部件IBOX可以同時從指令Cache中讀入兩條指令，同時對讀入的兩條指令進行譯碼，并且對這兩條指令作資源沖突檢測，進行數(shù)據(jù)相關(guān)性和控制相關(guān)性分析。如果資源和相,關(guān)性允許，IBOX就把兩條指令同時發(fā)射給EBOX、ABOX和FBOX三個指令執(zhí)行部件中的兩個。 指令流水線