微處理器設(shè)計(jì)第七講流水線技術(shù)引論

第七講流水線技術(shù)引論1可整理ppt第七講流水線技術(shù)引論1可整理ppt2可整理ppt2可整理ppt3可整理ppt3可整理ppt4可整理ppt4可整理ppt5可整理ppt5可整理ppt6可整理ppt6可整理ppt7可整理ppt7可整理ppt8可整理ppt8可整理ppt9可整理ppt9可整理ppt10可整理ppt10可整理ppt11可整理ppt11可整理ppt12可整理ppt12可整理ppt13可整理ppt13可整理ppt14可整理ppt14可整理ppt15可整理ppt15可整理ppt16可整理ppt16可整理ppt17可整理ppt17可整理ppt18可整理ppt18可整理ppt19可整理ppt19可整理ppt20可整理ppt20可整理ppt21可整理ppt21可整理ppt22可整理ppt22可整理ppt流水線的基本性能流水線增大了CPU的指令吞吐量---即單位時(shí)間完成指令的條數(shù)流水線技術(shù)經(jīng)常對(duì)流水線附加一些控制，因而增加了開銷，隨之單條指令執(zhí)行時(shí)間略有加長23可整理ppt流水線的基本性能流水線增大了CPU的指令吞吐量---即單位時(shí)流水線基本性能—例考察非流水線機(jī)器。假設(shè)其時(shí)鐘周期為10ns，ALU和分支操作需要4個(gè)時(shí)鐘周期，存儲(chǔ)器操作需要5個(gè)時(shí)鐘周期，以上操作的比例相應(yīng)為40%，20%，40%假設(shè)由于存在時(shí)鐘偏移和啟動(dòng)時(shí)間，時(shí)鐘周期增加了1ns，并忽略其他的影響，求該流水線的加速比。24可整理ppt流水線基本性能—例考察非流水線機(jī)器。假設(shè)其時(shí)鐘周期為1在非流水線的機(jī)器上，指令的平均執(zhí)行時(shí)間：指令平均執(zhí)行時(shí)間=時(shí)鐘周期X平均CPI=10nsX[(40%+20%)X4+40%X5]=44ns在流水線方式下，時(shí)鐘周期為11ns，即指令的平均時(shí)間。speedup=44ns/11ns=425可整理ppt在非流水線的機(jī)器上，指令的平均執(zhí)行時(shí)間：25可整理ppt流水線級(jí)數(shù)選擇—優(yōu)點(diǎn)在理想情況下，即流水線處理器中可連續(xù)執(zhí)行的指令條數(shù)k->

時(shí)，流水線處理器的性能加速比為流水線的級(jí)數(shù)，因此流水線處理器的性能取決于流水線級(jí)數(shù)的選取。若流水線級(jí)數(shù)選取得越大，則對(duì)于給定的邏輯通路，流水級(jí)就分得越細(xì)，每一級(jí)的邏輯通路就越短，時(shí)鐘周期就越快，處理器的性能也就越高。26可整理ppt流水線級(jí)數(shù)選擇—優(yōu)點(diǎn)在理想情況下，即流水線處理器中可連續(xù)執(zhí)行流水線級(jí)數(shù)選擇—缺點(diǎn)隨著流水線級(jí)數(shù)的增加，由于指令流的斷流所產(chǎn)生的延遲就增加了，這樣將會(huì)逐漸掩去由于流水級(jí)的增加所帶來的性能增益；在每一個(gè)流水級(jí)中，除了實(shí)現(xiàn)操作的邏輯通路具有一定的傳輸延遲外，還需要有固定的鎖存開銷時(shí)間，包括：鎖存建立、鎖存?zhèn)鬏敽蜁r(shí)鐘偏斜27可整理ppt流水線級(jí)數(shù)選擇—缺點(diǎn)隨著流水線級(jí)數(shù)的增加，由于指令流的斷流所流水線級(jí)數(shù)選擇--流水線中時(shí)鐘周期的組成

28可整理ppt流水線級(jí)數(shù)選擇--流水線中時(shí)鐘周期的組成28可整理ppt流水線級(jí)數(shù)選擇若邏輯通路過分地細(xì)化，雖然邏輯通路的傳輸時(shí)間可分?jǐn)偟礁髁魉?jí)中，但由于鎖存開銷時(shí)間是固定的，鎖存開銷時(shí)間將會(huì)成為決定流水線時(shí)鐘周期的主要因素。另外，隨著流水線級(jí)數(shù)的增加，流水線中各級(jí)所需的鎖存硬件開銷也將逐漸增大；同時(shí)由于流水線級(jí)數(shù)的增加，處理器的時(shí)鐘頻率也將加快，處理器所需的功耗也將逐漸增高。因此存在一個(gè)根據(jù)所實(shí)現(xiàn)處理器的性能、價(jià)格目標(biāo)，選取滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)的最佳流水線級(jí)數(shù)的問題。

29可整理ppt流水線級(jí)數(shù)選擇若邏輯通路過分地細(xì)化，雖然邏輯通路的傳輸時(shí)間可流水線級(jí)數(shù)選擇--最佳流水線長度Larson和Davidson[Larson73]提出了一個(gè)求解使所實(shí)現(xiàn)的處理器的性能達(dá)到最大的最佳流水線級(jí)數(shù)的模型，該模型的建立是基于處理器的邏輯通路長度L、鎖存開銷時(shí)間t、連續(xù)執(zhí)行指令數(shù)k。則最佳流水線長度nmax：

式中的nmax的意義為：當(dāng)流水線級(jí)數(shù)增加時(shí)，處理器的性能將隨著流水線級(jí)數(shù)的增加而逐漸增加；當(dāng)流水線級(jí)數(shù)增加為nmax時(shí)，處理器的性能達(dá)到最大；此后盡管再繼續(xù)增加流水線的級(jí)數(shù)，處理器性能開始下降。30可整理ppt流水線級(jí)數(shù)選擇--最佳流水線長度Larson和Dav流水線級(jí)數(shù)選擇--最佳流水線長度可以得到一個(gè)結(jié)論：減少t值，可以獲得更長的流水線，獲取更高的性能。t值的減少可通過兩種渠道：一方面在實(shí)現(xiàn)中采用快速的鎖存器；另一方面在實(shí)現(xiàn)中采用合理的時(shí)鐘分配方案來減少時(shí)鐘偏斜。在設(shè)計(jì)處理器的流水線時(shí)，需考察分析各種影響流水線設(shè)計(jì)的有關(guān)因素，根據(jù)所實(shí)現(xiàn)處理器的性能、價(jià)格目標(biāo)，選取滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)的最佳流水線級(jí)數(shù)，使所實(shí)現(xiàn)的處理器達(dá)到設(shè)計(jì)要求。31可整理ppt流水線級(jí)數(shù)選擇--最佳流水線長度可以得到一個(gè)結(jié)論：減少t值，流水級(jí)的分配為了保證各流水級(jí)中操作的平衡，一個(gè)最直接的想法是依照最佳流水線級(jí)數(shù)將邏輯通路中的邏輯門進(jìn)行平均分配來進(jìn)行流水線的劃分。圖示出了在兩個(gè)寄存器之間具有L個(gè)邏輯級(jí)的一級(jí)流水線；若流水線分為兩級(jí)，則每一級(jí)邏輯有L/2個(gè)邏輯門；以此類推。但是由于處理器中的邏輯結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，存在眾多的中間信號(hào)和反饋信號(hào)，這樣劃分會(huì)增加太多的流水級(jí)鎖存，是極為不現(xiàn)實(shí)的。32可整理ppt流水級(jí)的分配為了保證各流水級(jí)中操作的平衡，一個(gè)最直接的想法是流水級(jí)的分配通常在進(jìn)行流水線的劃分時(shí)，將所確定的最佳流水線級(jí)數(shù)作為參考，依據(jù)功能來進(jìn)行劃分的。依據(jù)功能來進(jìn)行劃分所帶來的好處是：流水級(jí)之間彼此獨(dú)立，中間信號(hào)可以減少，減少中間鎖存的開銷；其缺點(diǎn)是：很難完全平衡流水線中各流水級(jí)的操作33可整理ppt流水級(jí)的分配通常在進(jìn)行流水線的劃分時(shí)，將所確定的最佳流水線級(jí)將一個(gè)功能劃分為一個(gè)子功能流水線的條件

所劃分的子功能流水線的功能等價(jià)于原功能；在子功能流水線中，前一個(gè)子功能流水級(jí)的輸出是下一個(gè)子功能流水級(jí)的輸入；在各子功能流水級(jí)之間僅存在輸入與輸出的聯(lián)系，而無其它任何內(nèi)部聯(lián)系；各子功能流水級(jí)的功能實(shí)現(xiàn)可由硬件完成；各子功能流水級(jí)的執(zhí)行時(shí)間通常相等。在對(duì)處理器的邏輯通路進(jìn)行流水線劃分時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格遵循上述5個(gè)條件，其中，要重點(diǎn)平衡流水線中各流水級(jí)的操作，使各流水級(jí)的執(zhí)行時(shí)間基本相等，以減少流水線處理器中時(shí)鐘周期的長度。34可整理ppt將一個(gè)功能劃分為一個(gè)子功能流水線的條件所劃分的子功能流水線35可整理ppt35可整理ppt36可整理ppt36可整理ppt37可整理ppt37可整理ppt38可整理ppt38可整理ppt39可整理ppt39可整理ppt40可整理ppt40可整理ppt41可整理ppt41可整理ppt42可整理ppt42可整理ppt43可整理ppt43可整理ppt44可整理ppt44可整理ppt45可整理ppt45可整理ppt46可整理ppt46可整理ppt47可整理ppt47可整理ppt48可整理ppt48可整理ppt49可整理ppt49可整理ppt50可整理ppt50可整理ppt51可整理ppt51可整理ppt52可整理ppt52可整理ppt53可整理ppt53可整理ppt54可整理ppt54可整理ppt55可整理ppt55可整理ppt56可整理ppt56可整理ppt57可整理ppt57可整理ppt58可整理ppt58可整理ppt59可整理ppt59可整理ppt60可整理ppt60可整理ppt61可整理ppt61可整理ppt62可整理ppt62可整理ppt63可整理ppt63可整理ppt64可整理ppt64可整理ppt65可整理ppt65可整理ppt66可整理ppt66可整理ppt67可整理ppt67可整理ppt68可整理ppt68可整理ppt69可整理ppt69可整理ppt70可整理ppt70可整理ppt71可整理ppt71可整理ppt72可整理ppt72可整理ppt73