第五章中央處理器精品課程平臺蘭州理工大學(xué)演示文稿

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

高速器件、改進系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，開發(fā)系統(tǒng)的并行性當(dāng)前3頁，總共29頁。5.8流水CPU5.8.1并行處理技術(shù)不論微型機還是巨型機，并行處理技術(shù)已成為計算機技術(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步驟和階段。同時性——兩個以上事件在同一時刻發(fā)生。如多機系統(tǒng)中，同一時刻多個進程在運行。并發(fā)性——兩個以上事件在同一時間段發(fā)生。如并發(fā)程序，某一時刻CPU中只有一個進程在運行，而在一個時間段內(nèi)，多個進程同時運行。時間上互相重疊。當(dāng)前4頁，總共29頁。并行性的三種形式：時間并行：時間重疊，使用流水處理部件。流水CPU是以時間并行性為原理構(gòu)造的處理器，是一種非常經(jīng)濟而實用的并行技術(shù)。目前的高性能微型機幾乎無一例外地使用了流水技術(shù)。

空間并行：資源重復(fù)，同時工作。在多處理器系統(tǒng)和多計算機系統(tǒng)中應(yīng)用最多。時間并行＋空間并行：時間重疊和資源重復(fù)的綜合應(yīng)用。奔騰CPU采用了超標(biāo)量流水技術(shù)，在一個機器周期中同時執(zhí)行2條指令。當(dāng)前5頁，總共29頁。取指令3執(zhí)行指令3指令的二級流水指令的串行執(zhí)行取指令取指令部件完成總有一個部件空閑指令預(yù)取若取指和執(zhí)行階段時間上完全重疊，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，總共29頁。必須等上條

指令執(zhí)行結(jié)束，才能確定下條

指令的地址，造成時間損失。影響指令流水效率加倍的因素(1)執(zhí)行時間>取指時間(2)條件轉(zhuǎn)移指令對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，總共29頁。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、指令隊列、執(zhí)行部件組成了一個3級流水線。執(zhí)行段速度匹配問題的解決方法：定點執(zhí)行部件，浮點執(zhí)行部件浮點加法部件，浮點乘／除部件浮點運算部件都以流水線方式工作當(dāng)前8頁，總共29頁。流水CPU的時空圖WB當(dāng)前9頁，總共29頁。非流水線處理器時空圖EXWB當(dāng)前10頁，總共29頁。流水線處理器時空圖EXWB當(dāng)前11頁，總共29頁。超標(biāo)量流水線（Superscalarpipelining）EXWB標(biāo)量流水計算機：只有一條指令流水線。超標(biāo)量流水計算機：具有兩條以上的指令流水線。當(dāng)前12頁，總共29頁。流水線速度是原來速度的3倍IFIDEXWR0

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10111213t超流水線（Superpipelining）在一個時鐘周期內(nèi)再分段（3段）在一個時鐘周期內(nèi)一個功能部件使用多次（3次）不能調(diào)整指令的執(zhí)行順序靠編譯程序解決優(yōu)化問題當(dāng)前13頁，總共29頁。采用多個處理部件IFIDEXWR012345678910111213t超長指令字（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操作碼字段的超長指令字（可達幾百位）當(dāng)前14頁，總共29頁。常見的流水線形式：指令流水線（指令步驟的并行）算術(shù)流水線（運算操作步驟的并行）處理機流水線（程序步驟的并行）

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

個時鐘周期出

1結(jié)果若不采用流水技術(shù)7個時鐘周期出1結(jié)果理想情況下，7級流水

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，每段需一個時鐘周期當(dāng)前16頁，總共29頁。鎖存器對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)流水線完成浮點加減運算可分對階、尾數(shù)求和、規(guī)格化三段分段原則每段操作時間盡量一致當(dāng)前17頁，總共29頁。流水過程中通常會出現(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流水線中的主要問題當(dāng)前18頁，總共29頁。資源相關(guān)：指多條指令進入流水線后在同一機器時鐘周期內(nèi)爭用同一個功能部件所發(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)問題當(dāng)前19頁，總共29頁。數(shù)據(jù)相關(guān)：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，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)問題【例4】（P.195）當(dāng)前20頁，總共29頁?？刂葡嚓P(guān)：當(dāng)執(zhí)行轉(zhuǎn)移指令時，根據(jù)轉(zhuǎn)移條件是否發(fā)生來控制指令的執(zhí)行順序。解決方法：延遲轉(zhuǎn)移法、轉(zhuǎn)移預(yù)測法。延遲轉(zhuǎn)移法

由編譯程序重排指令序列來實現(xiàn)?；舅枷胧恰跋葓?zhí)行再轉(zhuǎn)移”。轉(zhuǎn)移預(yù)測法

用硬件方法來實現(xiàn)，依據(jù)指令過去的行為來預(yù)測將來的行為。

3.控制相關(guān)問題當(dāng)前21頁，總共29頁。RISCCPU是繼承CISC的成功技術(shù)，并在克服CISC機器缺點的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。RISC機器的三個基本要素是：(1)一個有限的簡單指令集(2)CPU配備大量的通用寄存器(3)強調(diào)指令流水線的優(yōu)化。5.9RISCCPU當(dāng)前22頁，總共29頁。注意，RISC機器一定是流水CPU，但流水CPU不一定是RISC機器。如奔騰CPU是流水CPU，但奔騰機是CISC機器。當(dāng)前23頁，總共29頁。MC88110CPU結(jié)構(gòu)框圖當(dāng)前24頁，總共29頁。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機器時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、寫回(WB)段。當(dāng)前25頁，總共29頁。指令動態(tài)調(diào)度策略88110采用按序發(fā)射、按序完成的指令動態(tài)調(diào)度策略。為了判定能否發(fā)射指令，88110使用了計分牌方法。指令發(fā)射和定向傳送是同時進行的。88110通過歷史緩沖器實現(xiàn)FIFO指令按序完成。對于轉(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)移通過編譯程序來調(diào)度。TIC是一個32項的全相聯(lián)cache，每項能保存轉(zhuǎn)移目標(biāo)路徑的前兩條指令?！纠?】（P.201）當(dāng)前26頁，總共29頁?！窘狻浚?1)由于I1，I2間有RAW相關(guān)，I2要推遲一個時鐘才能發(fā)射。類似的情況也存在于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，也不會導(dǎo)致錯誤。I5，I6間還有WAW相關(guān)，只要I6的完成放在I5之后，就不會出錯。注意，I5實際上已在時鐘6執(zhí)行完畢，但一直推遲到時鐘9才寫回，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個時鐘周期。當(dāng)前27