第五章中央處理器精品課程平臺(tái)蘭州理工大學(xué)演示文稿

第五章中央處理器精品課程平臺(tái)蘭州理工大學(xué)演示文稿當(dāng)前1頁(yè)，總共29頁(yè)。第五章中央處理器精品課程平臺(tái)蘭州理工大學(xué)當(dāng)前2頁(yè)，總共29頁(yè)。如何提高計(jì)算機(jī)的速度？提高訪存速度高速芯片、Cache、多體并行提高I/O和主機(jī)之間的傳送速度中斷、DMA、通道、多總線、I/O處理機(jī)提高運(yùn)算器速度高速芯片、改進(jìn)算法、快速進(jìn)位鏈提高整機(jī)處理能力

高速器件、改進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的并行性當(dāng)前3頁(yè)，總共29頁(yè)。5.8流水CPU5.8.1并行處理技術(shù)不論微型機(jī)還是巨型機(jī)，并行處理技術(shù)已成為計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的主流。并行處理技術(shù)可貫穿于信息加工的各個(gè)步驟和階段。同時(shí)性——兩個(gè)以上事件在同一時(shí)刻發(fā)生。如多機(jī)系統(tǒng)中，同一時(shí)刻多個(gè)進(jìn)程在運(yùn)行。并發(fā)性——兩個(gè)以上事件在同一時(shí)間段發(fā)生。如并發(fā)程序，某一時(shí)刻CPU中只有一個(gè)進(jìn)程在運(yùn)行，而在一個(gè)時(shí)間段內(nèi)，多個(gè)進(jìn)程同時(shí)運(yùn)行。時(shí)間上互相重疊。當(dāng)前4頁(yè)，總共29頁(yè)。并行性的三種形式：時(shí)間并行：時(shí)間重疊，使用流水處理部件。流水CPU是以時(shí)間并行性為原理構(gòu)造的處理器，是一種非常經(jīng)濟(jì)而實(shí)用的并行技術(shù)。目前的高性能微型機(jī)幾乎無(wú)一例外地使用了流水技術(shù)。

空間并行：資源重復(fù)，同時(shí)工作。在多處理器系統(tǒng)和多計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用最多。時(shí)間并行＋空間并行：時(shí)間重疊和資源重復(fù)的綜合應(yīng)用。奔騰CPU采用了超標(biāo)量流水技術(shù)，在一個(gè)機(jī)器周期中同時(shí)執(zhí)行2條指令。當(dāng)前5頁(yè)，總共29頁(yè)。取指令3執(zhí)行指令3指令的二級(jí)流水指令的串行執(zhí)行取指令取指令部件完成總有一個(gè)部件空閑指令預(yù)取若取指和執(zhí)行階段時(shí)間上完全重疊，指令周期減半，速度提高1倍…執(zhí)行指令執(zhí)行指令部件完成取指令1執(zhí)行指令1取指令2執(zhí)行指令2取指令3執(zhí)行指令3取指令2執(zhí)行指令2取指令1執(zhí)行指令1當(dāng)前6頁(yè)，總共29頁(yè)。必須等上條

指令執(zhí)行結(jié)束，才能確定下條

指令的地址，造成時(shí)間損失。影響指令流水效率加倍的因素(1)執(zhí)行時(shí)間>取指時(shí)間(2)條件轉(zhuǎn)移指令對(duì)指令流水的影響取指令部件指令部件緩沖區(qū)執(zhí)行指令部件當(dāng)前7頁(yè)，總共29頁(yè)。5.8.2流水CPU的結(jié)構(gòu)CPU按流水線方式組織，通常由指令部件、指令隊(duì)列、執(zhí)行部件組成了一個(gè)3級(jí)流水線。執(zhí)行段速度匹配問(wèn)題的解決方法：定點(diǎn)執(zhí)行部件，浮點(diǎn)執(zhí)行部件浮點(diǎn)加法部件，浮點(diǎn)乘／除部件浮點(diǎn)運(yùn)算部件都以流水線方式工作當(dāng)前8頁(yè)，總共29頁(yè)。流水CPU的時(shí)空?qǐng)DWB當(dāng)前9頁(yè)，總共29頁(yè)。非流水線處理器時(shí)空?qǐng)DEXWB當(dāng)前10頁(yè)，總共29頁(yè)。流水線處理器時(shí)空?qǐng)DEXWB當(dāng)前11頁(yè)，總共29頁(yè)。超標(biāo)量流水線（Superscalarpipelining）EXWB標(biāo)量流水計(jì)算機(jī)：只有一條指令流水線。超標(biāo)量流水計(jì)算機(jī)：具有兩條以上的指令流水線。當(dāng)前12頁(yè)，總共29頁(yè)。流水線速度是原來(lái)速度的3倍IFIDEXWR0

1

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10111213t超流水線（Superpipelining）在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)再分段（3段）在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)一個(gè)功能部件使用多次（3次）不能調(diào)整指令的執(zhí)行順序靠編譯程序解決優(yōu)化問(wèn)題當(dāng)前13頁(yè)，總共29頁(yè)。采用多個(gè)處理部件IFIDEXWR012345678910111213t超長(zhǎng)指令字（VeryLongInstructionWord）由編譯程序挖掘出指令間潛在的并行性，將多條能并行操作的指令組合成一條具有多個(gè)操作碼字段的超長(zhǎng)指令字（可達(dá)幾百位）當(dāng)前14頁(yè)，總共29頁(yè)。常見(jiàn)的流水線形式：指令流水線（指令步驟的并行）算術(shù)流水線（運(yùn)算操作步驟的并行）處理機(jī)流水線（程序步驟的并行）

流水線的分類(lèi)當(dāng)前15頁(yè)，總共29頁(yè)。若流水線不出現(xiàn)斷流1

個(gè)時(shí)鐘周期出

1結(jié)果若不采用流水技術(shù)7個(gè)時(shí)鐘周期出1結(jié)果理想情況下，7級(jí)流水

的速度是不采用流水技術(shù)的7倍地址形成部件指令譯碼部件取操作數(shù)部件取指令部件操作執(zhí)行部件回寫(xiě)結(jié)果部件修改指令指針部件鎖存鎖存鎖存鎖存鎖存鎖存指令流水線完成一條指令分7段，每段需一個(gè)時(shí)鐘周期當(dāng)前16頁(yè)，總共29頁(yè)。鎖存器對(duì)階功能部件第一段尾數(shù)加部件鎖存器第二段規(guī)格化部件鎖存器第三段算術(shù)流水線完成浮點(diǎn)加減運(yùn)算可分對(duì)階、尾數(shù)求和、規(guī)格化三段分段原則每段操作時(shí)間盡量一致當(dāng)前17頁(yè)，總共29頁(yè)。流水過(guò)程中通常會(huì)出現(xiàn)資源相關(guān)、數(shù)據(jù)相關(guān)、控制相關(guān)這三種相關(guān)沖突，使流水線斷流。為此需要采取相應(yīng)的技術(shù)對(duì)策，才能保證流水線暢通而不斷流。

5.8.3流水線中的主要問(wèn)題當(dāng)前18頁(yè)，總共29頁(yè)。資源相關(guān)：指多條指令進(jìn)入流水線后在同一機(jī)器時(shí)鐘周期內(nèi)爭(zhēng)用同一個(gè)功能部件所發(fā)生的沖突。解決方法：指令推遲執(zhí)行，或是設(shè)置重復(fù)資源。1.資源相關(guān)問(wèn)題當(dāng)前19頁(yè)，總共29頁(yè)。數(shù)據(jù)相關(guān)：在一個(gè)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，這兩條指令就是數(shù)據(jù)相關(guān)。解決方法：定向傳送技術(shù)。2.數(shù)據(jù)相關(guān)問(wèn)題【例4】（P.195）當(dāng)前20頁(yè)，總共29頁(yè)?？刂葡嚓P(guān)：當(dāng)執(zhí)行轉(zhuǎn)移指令時(shí)，根據(jù)轉(zhuǎn)移條件是否發(fā)生來(lái)控制指令的執(zhí)行順序。解決方法：延遲轉(zhuǎn)移法、轉(zhuǎn)移預(yù)測(cè)法。延遲轉(zhuǎn)移法

由編譯程序重排指令序列來(lái)實(shí)現(xiàn)?；舅枷胧恰跋葓?zhí)行再轉(zhuǎn)移”。轉(zhuǎn)移預(yù)測(cè)法

用硬件方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，依據(jù)指令過(guò)去的行為來(lái)預(yù)測(cè)將來(lái)的行為。

3.控制相關(guān)問(wèn)題當(dāng)前21頁(yè)，總共29頁(yè)。RISCCPU是繼承CISC的成功技術(shù)，并在克服CISC機(jī)器缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。RISC機(jī)器的三個(gè)基本要素是：(1)一個(gè)有限的簡(jiǎn)單指令集(2)CPU配備大量的通用寄存器(3)強(qiáng)調(diào)指令流水線的優(yōu)化。5.9RISCCPU當(dāng)前22頁(yè)，總共29頁(yè)。注意，RISC機(jī)器一定是流水CPU，但流水CPU不一定是RISC機(jī)器。如奔騰CPU是流水CPU，但奔騰機(jī)是CISC機(jī)器。當(dāng)前23頁(yè)，總共29頁(yè)。MC88110CPU結(jié)構(gòu)框圖當(dāng)前24頁(yè)，總共29頁(yè)。MC88110的指令流水線由于MC88110是超標(biāo)量流水CPU，所以指令流水線在每個(gè)機(jī)器時(shí)鐘周期完成兩條指令。流水線共分為三段：取指和譯碼(F＆D)段、執(zhí)行(EX)段、寫(xiě)回(WB)段。當(dāng)前25頁(yè)，總共29頁(yè)。指令動(dòng)態(tài)調(diào)度策略88110采用按序發(fā)射、按序完成的指令動(dòng)態(tài)調(diào)度策略。為了判定能否發(fā)射指令，88110使用了計(jì)分牌方法。指令發(fā)射和定向傳送是同時(shí)進(jìn)行的。88110通過(guò)歷史緩沖器實(shí)現(xiàn)FIFO指令按序完成。對(duì)于轉(zhuǎn)移處理，88110使用了延遲轉(zhuǎn)移法和目標(biāo)指令cache(TIC)法。延遲轉(zhuǎn)移通過(guò)編譯程序來(lái)調(diào)度。TIC是一個(gè)32項(xiàng)的全相聯(lián)cache，每項(xiàng)能保存轉(zhuǎn)移目標(biāo)路徑的前兩條指令。【例5】（P.201）當(dāng)前26頁(yè)，總共29頁(yè)?！窘狻浚?1)由于I1，I2間有RAW相關(guān)，I2要推遲一個(gè)時(shí)鐘才能發(fā)射。類(lèi)似的情況也存在于I5，I6之間。I3，I4之間有WAR相關(guān)，但按序發(fā)射，即使I3，I4并行操作，也不會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤。I5，I6間還有WAW相關(guān)，只要I6的完成放在I5之后，就不會(huì)出錯(cuò)。注意，I5實(shí)際上已在時(shí)鐘6執(zhí)行完畢，但一直推遲到時(shí)鐘9才寫(xiě)回，這是為了保持按序完成。超標(biāo)量流水線完成6條指令的執(zhí)行任務(wù)總共需要10個(gè)時(shí)鐘周期。當(dāng)前27