流水線工作原理-副本1

引

言加快機器語言的解釋可以從兩方面實現(xiàn)。一是通過選用更高速的器件、采用更好的運算方法、提高指令內(nèi)各微操作的并行程度、減少解釋過程所需要的拍數(shù)等措施加快每條機器指令的解釋。二是通過控制結(jié)構(gòu)同時解釋兩條、多條以至整段程序的方式加快整個機器語言程序的解釋重疊和流水是其中常用的解釋方式。1流水線

1.基本概念圖1指令分解為“取指”與“執(zhí)行”子過程

2圖2流水處理3指令的六級流水六級流水14個時間單位串行執(zhí)行6×9＝54時間單位完成一條指令6個時間單位COFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFI指令1指令2指令3指令4指令5指令6指令7指令8指令91234567891011121314t42.流水線處理機的主要性能指標

a)吞吐率

吞吐率是流水線單位時間里能流出的任務(wù)數(shù)或結(jié)果數(shù)。在圖5的流水線例子中，各個子過程經(jīng)過的時間都是Δt2，滿負荷后，流水線每隔Δt2解釋完一條指令，其最大吞吐率TPmax為1/Δt2。實際上，各個子過程進行的工作不相同，所經(jīng)過的時間也就不一定相同，所以前述在子過程間設(shè)置了接口鎖存器，讓各鎖存器都受同一時鐘脈沖同步。時鐘脈沖周期直接影響流水線的最大吞吐率，總希望它越小越好。如果各個子過程所需的時間分別為Δt1、Δt2、Δt3、Δt4，時鐘周期應(yīng)當(dāng)為max｛Δt1,Δt2,Δt3,Δt4｝，即流水線的最大吞吐率5它受限于流水線中最慢子過程所需要的時間。稱流水線中經(jīng)過時間最長的子過程為瓶頸子過程。6設(shè)一m段流水線的各段經(jīng)過時間均為Δt0，則第1條指令從流入到流出需要T0=mΔt0的流水建立時間，之后每隔Δt0就可以流出一條指令，其時—空圖如圖9所示(這里設(shè)m=4)。這樣，完成n個任務(wù)的解釋共需時間T=m·Δt0+(n-1)Δt0。在這段時間里，流水線的實際吞吐率7圖3從時—空圖分析實際的吞吐率8

b)加速比

不僅實際的吞吐率總是小于最大的吞吐率，而且只有當(dāng)n>>m時，才能使實際的吞吐率接近于理想的最大吞吐率。如果用加速比(SpeedupRatio,Sp)表示流水線方式相對非流水線順序串行方式速度提高的比值，那么，非流水線順序串行方式工作，連續(xù)完成n個任務(wù)需要n·m·Δt0的時間，因此，流水線方式工作的加速比

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c)效率

流水線的效率是指流水線中的設(shè)備實際使用時間占整個運行時間之比，也稱流水線設(shè)備的時間利用率。由于流水線存在有建立時間和排空時間(最后一個任務(wù)流入到流出的時間)，在連續(xù)完成n個任務(wù)的時間里，各段并不總是滿負荷工作的。如果是線性流水線，且各段經(jīng)過時間相同，如圖3那樣，則在T時間里，流水線各段的效率都相同，均為η0，即整個流水線的效率：10式中，分母m·T是時—空圖中m個段和流水總時間T所圍成的總面積，分子m·nΔt0則是時—空圖中n個任務(wù)實際占用的總面積。因此，從時—空圖上看，效率實際上就是n個任務(wù)占用的時—空區(qū)面積和m個段總的時—空區(qū)面積之比。顯然，與吞吐率類似，只有當(dāng)n>>m時，η才趨近于1。同時還可看出，對于線性流水且每段經(jīng)過時間相等時，流水線的效率是正比于吞吐率的，即113.流水處理的相關(guān)性

流水線不能連續(xù)工作的原因，除了編譯形成的程序不能發(fā)揮流水線的作用或存儲器供應(yīng)不上為連續(xù)流動所需的指令和數(shù)據(jù)以外，還因為出現(xiàn)了“相關(guān)”情況或遇到了程序轉(zhuǎn)移指令。有時避免不了產(chǎn)生不能連續(xù)工作的情況，這種現(xiàn)象稱為流水線阻塞或產(chǎn)生了“氣泡”。12在一個程序中，如果必須等前一條指令執(zhí)行完畢后，才能執(zhí)行后一條指令，那么這兩條指令就是數(shù)據(jù)相關(guān)的。在流水計算機中，指令的處理是重疊進行的，前一條指令還沒有結(jié)束，第二、三條指令就陸續(xù)地開始工作。由于多條指令的重疊處理，當(dāng)后繼指令所需的操作數(shù)，剛好是前一指令的運算結(jié)果時，便發(fā)生數(shù)據(jù)相關(guān)沖突。134.程序轉(zhuǎn)移對流水線的影響

猜測法：

圖10用猜測法處理條件轉(zhuǎn)移