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文檔簡(jiǎn)介
中央處理器
指令流水
如何提高機(jī)器速度
提高訪存速度
提高整機(jī)處理能力高速芯片Cache多體并行高速器件改進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
,開發(fā)系統(tǒng)的并行性
提高運(yùn)算器速度高速芯片改進(jìn)算法快速進(jìn)位鏈
系統(tǒng)的并行性時(shí)間上互相重疊
并行性的等級(jí)指令級(jí)(指令之間)(指令內(nèi)部)過程級(jí)(作業(yè)或程序)(任務(wù)或進(jìn)程)兩個(gè)或兩個(gè)以上事件在同一時(shí)刻
發(fā)生兩個(gè)或兩個(gè)以上事件在同一時(shí)間段
發(fā)生并行
并行的概念粗粒度軟件實(shí)現(xiàn)細(xì)粒度硬件實(shí)現(xiàn)并發(fā)同時(shí)取指令3執(zhí)行指令3
指令流水原理
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
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
解決辦法
?取指令部件指令部件緩沖區(qū)執(zhí)行指令部件猜測(cè)法
指令的六級(jí)流水六級(jí)流水14個(gè)時(shí)間單位串行執(zhí)行6×9=
54
個(gè)時(shí)間單位完成一條指令6個(gè)時(shí)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91234567891011121314t流水段指令A(yù)LU取/存轉(zhuǎn)移IF取指取指取指ID譯碼
讀寄存器堆譯碼
讀寄存器堆譯碼
讀寄存器堆EX執(zhí)行計(jì)算訪存的有效地址計(jì)算轉(zhuǎn)移目標(biāo)地址
設(shè)置條件碼MEM—訪存(讀/寫)若條件成立,將轉(zhuǎn)移目標(biāo)地址送PCWB結(jié)果寫回寄存器堆將讀出的數(shù)據(jù)寫入寄存器堆—
影響指令流水線性能的因素程序的相近指令之間出現(xiàn)某種關(guān)聯(lián)使指令流水出現(xiàn)停頓,影響流水線效率指令時(shí)鐘周期123456789LOAD指令I(lǐng)FIDEXMEMWB指令i+1IFIDEXMEMWB指令i+2IFIDEXMEMWB指令i+3IFIDEXMEMWB指令i+4IFIDEXMEMWB
結(jié)構(gòu)相關(guān)不同指令爭(zhēng)用同一功能部件產(chǎn)生資源沖突解決方法指令時(shí)鐘周期123456789LOAD指令I(lǐng)FIDEXMEMWB指令i+1IFIDEXMEMWB指令i+2IFIDEXMEMWB指令i+3停頓IFIDEXMEMWB指令i+4IFIDEXMEM
指令存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分開
停頓
指令預(yù)取技術(shù)
數(shù)據(jù)相關(guān)不同指令因重疊操作,可能改變操作數(shù)的讀/寫訪問順序
寫后讀相關(guān)(RAW,ReadAfterWrite,先寫后讀)ADDR1,R2,R3SUBR4,R5,R1;(R2)+
(R3)
R1;(R1)–(R5)
R4指令時(shí)鐘周期123456ADDIFIDEXMEMWBSUBIFIDEXMEMWB寫R1讀R1ADDR1,R2,R3;(R2)+(R3)R1SUBR4,R1,R5;(R1)–(R5)R4ANDR6,R1,R7;(R1)AND(R7)R6ORR8,R1,R9;(R1)OR(R9)R8XORR10,R1,R11;(R1)OR(R11)R10指令時(shí)鐘周期123456789ADDIFIDEXMEMWBSUBIFIDEXMEMWBANDIFIDEXMEMWBORIFIDEXMEMWBXORIFIDEXMEMWB解決方法
后推法指令時(shí)鐘周期123456789101112ADDIFIDEXMEMWBSUBIFIDEXMEMWBANDIFIDEXMEMWBORIFIDEXMEMWBXORIFIDEXMEMWB
采用旁路技術(shù)(相關(guān)專用通路技術(shù))數(shù)據(jù)相關(guān)類型根據(jù)指令間對(duì)同一寄存器讀和寫操作的先后次序關(guān)系
寫后讀相關(guān)(RAW,ReadAfterWrite)SUBR1,R2,R3ADDR4,R5,R1;(R2)–
(R3)
R1;(R5)+(R1)
R4
讀后寫相關(guān)(WAR,WriteAfterRead)STAM,R2ADDR2,R4,R5;(R2)
M存儲(chǔ)單元;(R4)+(R5)
R2
寫后寫相關(guān)(WAW,WriteAfterWrite)MULR3,R2,R1SUB
R3,R4,R5;(R2)×
(R1)
R3;(R4)–
(R5)
R3
控制相關(guān)BNE
指令必須等CPX
指令的結(jié)果才能判斷出是轉(zhuǎn)移還是順序執(zhí)行LDA#0LDX#0INXCPX#NBNEMDIV#NSTAANSADDX,DM由轉(zhuǎn)移指令引起
控制相關(guān)WOEIFOCODIWOEIFODIFIFIDIFICOFIFOCODIFIWOEIFOCODIFIDIFOEIWOEIFOCOFIDICOWODIFICOFI指令1指令2指令3指令4指令5指令6指令7指令15指令161234567891011121314轉(zhuǎn)移損失t設(shè)指令3
是轉(zhuǎn)移指令盡早判別轉(zhuǎn)移是否發(fā)生,盡早生成轉(zhuǎn)移目標(biāo)地址預(yù)取轉(zhuǎn)移成功或不成功兩個(gè)控制流加快和提前生成條件碼提高轉(zhuǎn)移方向的猜準(zhǔn)率
流水線性能
吞吐率(throughputrate)單位時(shí)間內(nèi)流水線所完成指令或輸出結(jié)果的數(shù)量
最大吞吐率
實(shí)際吞吐率連續(xù)處理n條指令的吞吐率為設(shè)m
段的流水線各段時(shí)間為tTpmax=t1Tp=m·t+(n-1)·t
n=t
[1+(m1)/n]1=1+(m1)/nTpmax
加速比Sp
(Speedup)
m
段的流水線的速度與等功能的非流水線的速度
之比
設(shè)流水線各段時(shí)間為t
完成n
條指令在m
段流水線上共需
T=m
·
t
+(n–1)·
t
完成n條指令在等效的非流水線上共需
T
′=nm
·t
Sp
=
m·t
+(n–1)·tnm·t
=nmm
+n–
1
則=m1+(m–
1)/n
由于流水線有建立時(shí)間和排空時(shí)間因此各功能段的設(shè)備不可能一直處于工作狀態(tài)
流水線中各功能段的利用率
效率
mΔt31245312453124531245………………………………n-1nn-1nn-1nn-1nT時(shí)間S空間空間S4S3S2S1(n-1)Δtm(m
+n–1)Δt
=mnΔt
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)
效率=
效率
mΔt31245312453124531245………………………………n-1nn-1nn-1nn-1nT時(shí)間S空間空間S4S3S2S1(n
1)Δt流水線中各功能段的利用率
=(m
+n–
1)n
=mSp
=TpΔt例:假設(shè)指令流水線分取值(IF)、譯碼(ID)、執(zhí)行(EX)、回寫(WR)4個(gè)過程段,共有10條指令連續(xù)輸入此流水線。(1)畫出指令周期流程;(2)畫出非流水線時(shí)空?qǐng)D;(3)畫出流水線時(shí)空?qǐng)D;(4)假設(shè)時(shí)鐘周期為100ns,求流水線的實(shí)際吞吐率;(5)求該流水處理器的加速比。解:(4)10/(100ns13)0.77107條指令/秒(5)40/13=3.08
流水線的多發(fā)技術(shù)
超標(biāo)量技術(shù)
每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)可并發(fā)多條獨(dú)立指令
配置多個(gè)功能部件IFIDEX
WR0123
45
678
910111213時(shí)鐘周期指令序列程序段1MOVBL,8ADDAX,1756HADDCL,4EH程序段2INCAXADDAX,BXMOVDS,AX
超流水線技術(shù)
在一個(gè)時(shí)鐘周期
內(nèi)再分段(3段)
不能調(diào)整
指令的執(zhí)行順序在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)一個(gè)功能部件使用多次(3次)流水線速度是原來速度的3倍IFIDEXWR0
1
2
345
67
8
9
10111213時(shí)鐘周期指令序列
超長指令字技術(shù)(VLIW)
采用多個(gè)處理部件具有多個(gè)操作碼字段
的超長指令字(可達(dá)幾百位)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IFIDEXWR012345678910111213時(shí)鐘周期指令序列
流水線結(jié)構(gòu)
指令流
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