第五章中央處理器-4指令流水線

1、計(jì)算機(jī)組成原理 中央處理器(4)2016-4-2019:42第第5 5章章 中央處理器中央處理器計(jì)算機(jī)組成原理219:425.6 5.6 流水流水CPUCPUv 5.6.1 并行處理技術(shù)并行處理技術(shù)v 5.6.2 流水流水CPU的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)v 5.6.3 流水線中的主要問題流水線中的主要問題v 5.6.4 奔騰奔騰CPU計(jì)算機(jī)組成原理319:425.6.1 5.6.1 并行處理技術(shù)并行處理技術(shù)計(jì)算機(jī)組成原理419:425.6.1 5.6.1 并行處理技術(shù)并行處理技術(shù)計(jì)算機(jī)組成原理519:425.6.2 5.6.2 流水流水CPUCPU的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)組成原理619:425.6.2 5.6.2

2、 流水流水CPUCPU的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)組成原理719:425.6.2 5.6.2 流水流水CPUCPU的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)v 標(biāo)量流水計(jì)算機(jī)標(biāo)量流水計(jì)算機(jī)只有一條指令流水線；只有一條指令流水線；v 超標(biāo)量流水計(jì)算機(jī)超標(biāo)量流水計(jì)算機(jī)有多條指令流水線，超標(biāo)度有多條指令流水線，超標(biāo)度N表示就有表示就有N條流水條流水線，上述超標(biāo)量計(jì)算機(jī)的超標(biāo)度為線，上述超標(biāo)量計(jì)算機(jī)的超標(biāo)度為2；計(jì)算機(jī)組成原理819:425.6.2 5.6.2 流水流水CPUCPU的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)v 具有兩條以上的指令流水線；具有兩條以上的指令流水線； v 上圖中流水線滿載時(shí)，每一個(gè)時(shí)鐘上圖中流水線滿載時(shí)，每一個(gè)時(shí)鐘周期可以執(zhí)行周期可以執(zhí)行2條

3、指令；條指令； v 采用時(shí)間和空間并行技術(shù)；采用時(shí)間和空間并行技術(shù)；計(jì)算機(jī)組成原理919:425.6.2 5.6.2 流水流水CPUCPU的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)組成原理1019:425.6.2 5.6.2 流水流水CPUCPU的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)組成原理1119:425.6.2 5.6.2 流水流水CPUCPU的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)組成原理1219:425.6.3 5.6.3 流水線中的主要問題流水線中的主要問題計(jì)算機(jī)組成原理1319:425.6.3 5.6.3 流水線中的主要問題流水線中的主要問題計(jì)算機(jī)組成原理1419:425.6.3 5.6.3 流水線中的主要問題流水線中的主要問題計(jì)算機(jī)組成原理15

4、19:425.6.3 5.6.3 流水線中的主要問題流水線中的主要問題計(jì)算機(jī)組成原理1619:425.6.3 5.6.3 流水線中的主要問題流水線中的主要問題計(jì)算機(jī)組成原理1719:425.6.3 5.6.3 流水線中的主要問題流水線中的主要問題 計(jì)算機(jī)組成原理1819:425.6.3 5.6.3 流水線中的主要問題流水線中的主要問題計(jì)算機(jī)組成原理1919:425.6.4 5.6.4 流水線性能流水線性能 1. 吞吐率吞吐率 單位時(shí)間內(nèi)單位時(shí)間內(nèi) 流水線所完成指令流水線所完成指令 或或 輸出結(jié)果輸出結(jié)果 的的 數(shù)量數(shù)量 最大吞吐率最大吞吐率 實(shí)際吞吐率實(shí)際吞吐率 連續(xù)處理連續(xù)處理 n 條指令的

5、吞吐率為條指令的吞吐率為設(shè)設(shè) m 段的流水線各段時(shí)間為段的流水線各段時(shí)間為tTpmax =1tTp =m + (n-1) ntt19:422. 加速比加速比 Sp m 段的段的 流水線的速度流水線的速度 與等功能的與等功能的 非流水線的速度非流水線的速度 之比之比 設(shè)流水線各段時(shí)間為設(shè)流水線各段時(shí)間為 t 完成完成 n 條指令在條指令在 m 段流水線上共需段流水線上共需 T = m + (n-1) t t 完成完成 n 條指令在等效的非流水線上共需條指令在等效的非流水線上共需 T = nmt Sp = m +(n-1) nm =nmm + n -1 t t t 則則5.6.4 5.6.4 流水

6、線性能流水線性能 19:42由于流水線有由于流水線有 建立時(shí)間建立時(shí)間 和和 排空時(shí)間排空時(shí)間因此各功能段的因此各功能段的 設(shè)備不可能設(shè)備不可能 一直一直 處于處于 工作工作 狀態(tài)狀態(tài) 流水線中各功能段的流水線中各功能段的 利用率利用率3. 效率效率 mt31245312453124531245 n-1 nn-1 nn-1 nn-1 nT時(shí)間時(shí)間S空間空間空間空間S4S3S2S1(n-1) t5.6.4 5.6.4 流水線性能流水線性能 19:42m(m + n -1) t = mnt 流水線各段處于工作時(shí)間的時(shí)空區(qū)流水線各段處于工作時(shí)間的時(shí)空區(qū)流水線中各段總的時(shí)空區(qū)流水線中各段總的時(shí)空區(qū) 效率效率 = 3. 效率效率 流水線中各功能段的流水線中各功能段的 利用率利用率5.6.4 5.6.4 流水線性能流水線性能 mt3124531245