1、第9章 流水线处理机及 设计,本章主要内容,本章讲述以时间重叠为主来提高计算机系统并行处理能力的流水线处理机。首先，叙述流水处理的基本原理、流水线的分类和流水线处理机的主要性能。其后，讨论影响流水性能的各种相关处理和流水线的调度问题。最后，简要讲述有关指令级高度并行的超标量、超长指令字、超流水线处理机的概念。重点要求掌握流水线处理机的基本原理和流水线的性能分析。,9.1 先行控制技术 9.2 流水线工作原理 9.3 流水线性能分析 9.4 其他结构的高性能处理机,9.1 先行控制技术,9.1.1 重叠控制与先行控制,图9-1 无重叠执行方式,图9-2 一次重叠执行方式,图9-3 二次重叠执行方
2、式,9.1.2 先行控制方式中处理机的结构,图9-4 先行控制方式中的一次重叠执行方式,图9-5 分析与执行时间不等的一次重叠执行方式,图9-6 先行控制方式,图9-7 采用先行控制方式的处理机结构,9.1.3 先行控制方式中缓冲深度的设计,1、先行指令缓冲栈从全满到全空，即分析指令的速度比取指令的速度快。 2、先行指令缓冲栈从全空到全满，即分析指令的速度比取指令的速度慢。 其它缓冲栈的深度也是用类似的方法求出。但在整个先行控制器中，各缓冲栈的缓冲深度应协调。,9.1.4 数据相关,图9-8 重叠执行时第K条指令和第K+1条指令的关系,9.1.5 控制相关,1猜测法 2采用延迟转移 3加快短循
3、环程序的处理 4设置两个先行指令缓冲栈,9.2 流水线工作原理,9.2.1 流水线的工作原理及定义,图9-10 指令解释的流水线处理,图9-11 指令解释流水处理的时（间）-空（间）图,9.2.2 流水线的分类,1按流水处理的级别分类功能部件级、处理机级和系统级等多种类型。,图9-12 浮点加法器的四级流水线,图9-13 系统级流水线,2按功能分类流水线按功能可以分为单功能流水线和多功能流水线。,3按流水线不同功能的联接切换方式分类按多功能流水线的各段能否允许同时用于多种不同功能联接，可把流水线分为静态流水线和动态流水线。,4按流水线的结构分类从流水线中各功能段之间是否有反馈回路，可把流水线分
4、为线性流水线和非线性流水线。,9.3 流水线性能分析,衡量处理机性能的指标主要是吞吐率（thoughput rate，TP）、加速比（speedup ratio）和效率（efficiency）。9.3.1 线性流水线的性能分析 1吞吐率,TP=,图9-18 各段执行时间相等的流水线时空图,2加速比,图9-21 任务数与加速比的关系,3效率如果各段执行时间相等，则各段的效率是相等的，都等于。即（9-15）则整个流水线的效率为：,9.3.3 非线性流水线的调度技术简介,为了避免流水线发生冲突，一般采用延迟输入新任务的方法。那么，在非线性流水线的输入端，究竟每隔多少个时钟周期向流水线输入一个新任务才
5、能使流水线的各个功能段都不发生冲突，这就是非线性流水线的调度问题。通常，在一般情况下，这个间隔的时钟周期数应该越小越好。因此，非线性流水线调度的任务是要找到一个最小的循环周期。,9.4 其他结构的高性能处理机,9.4.1 超标量处理机超标量流水机则采用多指令流水线，每个同时流出m条指令（称度为m）。,9.4.2 超流水线处理机,超流水线处理机不同于超标量处理机，每个t/仍只流出一条指令，但它的t/值小，一台度为m的超流水线处理机的t/只是基本机器周期t的1/m。因此，一条指令需花kmt/的时间，k为一条指令所含的基本机器周期数。只要流水线性能得以充分发挥，其并行度就可达m。,9.4.3 超标量超流水线处理机,超标量超流水线处理机就是将超标量技术和超流水线技术结合到一起，从而进一步提高处理机的指令级并行度。,9.4.4 超长指令字技术,超长指令字采用多个独立的功能部件，但它并不是将多条指令流出到各个功能单元，而是将多条指令的操作打包，形成一条非常长的指令，超长指令字由此得名。选择同时可流出的多条指令的任务由编译器完成，而在超标量机器中此功能是由硬件完成的，所以超长指令字机器可以节省大量硬件。,
