第9章流水线处理机及设计PPT讲稿.ppt

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1、第第9章章 流水线处理机及设计流水线处理机及设计第1页，共30页，编辑于2022年，星期一本章主要内容：本章主要内容：l本本章章讲讲述述以以时时间间重重叠叠为为主主来来提提高高计计算算机机系系统统并并行行处处理理能能力力的的流流水水线线处处理理机机。首首先先，叙叙述述流流水水处处理理的的基基本本原原理理、流流水水线线的的分分类类和和流流水水线线处处理理机机的的主主要要性性能能。其其后后，讨讨论论影影响响流流水水性性能能的的各各种种相相关关处处理理和和流流水水线线的的调调度度问问题题。最最后后，简简要要讲讲述述有有关关指指令令级级高高度度并并行行的的超超标标量量、超超长长指指令令字字、超超流流水

2、水线线处处理理机机的的概概念念。重重点点要要求求掌掌握握流流水水线线处处理理机的基本原理和流水线的性能分析。机的基本原理和流水线的性能分析。第2页，共30页，编辑于2022年，星期一 9.1 9.1先行控制技术先行控制技术 9.2 9.2流水线工作原理流水线工作原理 9.3 9.3 流水线性能分析流水线性能分析 9.4 9.4 其他结构的高性能处理机其他结构的高性能处理机第3页，共30页，编辑于2022年，星期一9.1先行控制技术先行控制技术l9.1.1重叠控制与先行控制重叠控制与先行控制图9-1 无重叠执行方式第4页，共30页，编辑于2022年，星期一图9-2 一次重叠执行方式第5页，共30

3、页，编辑于2022年，星期一图9-3 二次重叠执行方式 第6页，共30页，编辑于2022年，星期一9.1.2先行控制方式中处理机的结构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第7页，共30页，编辑于2022年，星期一图9-5 分析与执行时间不等的一次重叠执行方式 第8页，共30页，编辑于2022年，星期一图9-6 先行控制方式第9页，共30页，编辑于2022年，星期一图9-7 采用先行控制方式的处理机结构 第10页，共30页，编辑于2022年，星期一9.1.3先行控制方式中缓冲深度的设计先行控制方式中缓冲深度的设计第11页，共30页，编辑于2022年，星期一9.1.

4、4 数据相关数据相关图9-8重叠执行时第K条指令和第K+1条指令的关系 第12页，共30页，编辑于2022年，星期一9.1.5控制相关控制相关l1猜测法猜测法l2采用延迟转移采用延迟转移l3加快短循环程序的处理加快短循环程序的处理l4设置两个先行指令缓冲栈设置两个先行指令缓冲栈第13页，共30页，编辑于2022年，星期一9.2流水线工作原理流水线工作原理l9.2.1流水线的工作原理及定义流水线的工作原理及定义图9-10指令解释的流水线处理 第14页，共30页，编辑于2022年，星期一图9-11指令解释流水处理的时（间）-空（间）图 第15页，共30页，编辑于2022年，星期一9.2.2流水线的

5、分类流水线的分类 l1按流水处理的级别分类按流水处理的级别分类l功功能能部部件件级级、处处理理机机级级和和系系统统级级等等多多种种类类型。型。第16页，共30页，编辑于2022年，星期一图9-12浮点加法器的四级流水线 第17页，共30页，编辑于2022年，星期一图9-13 系统级流水线 第18页，共30页，编辑于2022年，星期一l2按功能分类按功能分类l流流水水线线按按功功能能可可以以分分为为单单功功能能流流水水线线和和多多功能流水线。功能流水线。第19页，共30页，编辑于2022年，星期一l3按按流流水水线线不不同同功功能能的的联联接接切切换换方方式式分分类类l按多功能流水线的各段能否允

6、许同时用于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。流水线和动态流水线。第20页，共30页，编辑于2022年，星期一l4按流水线的结构分类按流水线的结构分类l从流水线中各功能段之间是否有反馈回路，从流水线中各功能段之间是否有反馈回路，可把流水线分为线性流水线和非线性流水可把流水线分为线性流水线和非线性流水线。线。第21页，共30页，编辑于2022年，星期一9.3 流水线性能分析流水线性能分析l衡衡量量处处理理机机性性能能的的指指标标主主要要是是吞吞吐吐率率（thoughput rate，TP）、加加 速速 比

7、比（speedup ratio）和效率（）和效率（efficiency）。）。l9.3.1线性流水线的性能分析线性流水线的性能分析l1吞吐率吞吐率TP=第22页，共30页，编辑于2022年，星期一图9-18各段执行时间相等的流水线时空图 第23页，共30页，编辑于2022年，星期一l2加速比加速比 图9-21 任务数与加速比的关系 第24页，共30页，编辑于2022年，星期一l3效率效率l如如果果各各段段执执行行时时间间相相等等，则则各各段段的的效效率率是是相等的，都等于。即相等的，都等于。即l（9-15）l则整个流水线的效率为：则整个流水线的效率为：l 第25页，共30页，编辑于2022年，

8、星期一9.3.3 非线性流水线的调度技术简介非线性流水线的调度技术简介第26页，共30页，编辑于2022年，星期一9.4 其他结构的高性能处理机其他结构的高性能处理机l9.4.1超标量处理机超标量处理机l超标量流水机则采用多指令流水线，每个超标量流水机则采用多指令流水线，每个同时流出同时流出m条指令（称度为条指令（称度为m）。）。第27页，共30页，编辑于2022年，星期一9.4.2超流水线处理机超流水线处理机第28页，共30页，编辑于2022年，星期一9.4.3 超标量超流水线处理机超标量超流水线处理机l超超标标量量超超流流水水线线处处理理机机就就是是将将超超标标量量技技术术和和超超流流水水线线技技术术结结合合到到一一起起，从从而而进进一一步步提高处理机的指令级并行度。提高处理机的指令级并行度。第29页，共30页，编辑于2022年，星期一9.4.4超长指令字技术超长指令字技术第30页，共30页，编辑于2022年，星期一