体系结构第3章-第4讲课件.ppt

《体系结构第3章-第4讲课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《体系结构第3章-第4讲课件.ppt（36页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构 1 1 1 1国家精品资源共享课程：计算机体系结构国家精品资源共享课程：计算机体系结构第三章：流水线技术计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构 2 2 2 2第三章第三章 流水线技术流水线技术计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构 3 3 3 33.1 3.1 流水线基本概念流水线基本概念流水线基本概念流水线基本概念3.2 3.2 MIPSMIPS基本流水线基本流水线基本流水线基本流水线3.3 3.3 流水线中的相关流水线中的相关流水线中的相关流水线中的相关3.4 3.4 实例分析：实例分析：实例分析

2、：实例分析：MIPS R4000MIPS R40003.5 3.5 向量处理机向量处理机向量处理机向量处理机本章内容本章内容计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构 4 4 4 41.1.什么是相关？什么是相关？流水线中的相关流水线中的相关是指相邻或相近的两条指令因存在是指相邻或相近的两条指令因存在某种关联，后一条指令不能在原先指定的时钟周期某种关联，后一条指令不能在原先指定的时钟周期开始执行。开始执行。u消除相关的基本方法消除相关的基本方法暂停暂停暂停流水线中某条指令及其后面所有指令的执行，暂停流水线中某条指令及其后面所有指令的执行，该指令之前的所有指令继续执行。该指令之前的

3、所有指令继续执行。3.3 3.3 流水线中的相关流水线中的相关计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构 5 5 5 5计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构 6 6 6 6u导致结构相关的常见原因：导致结构相关的常见原因：功能部件不是全流水功能部件不是全流水重复设置的资源数量不足重复设置的资源数量不足u实例：当数据和指令存在同一存储器中时，访存指实例：当数据和指令存在同一存储器中时，访存指令会引起令会引起存储器访问冲突存储器访问冲突。解决方法：解决方法：I.I.插入暂停周期插入暂停周期 （时空图时空图）II.II.将指令存储器和数据存储器分离将指令存储器和数据

4、存储器分离3.3.1 3.3.1 流水线的结构相关流水线的结构相关计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构 7 7 7 7u避免结构相关的方法：避免结构相关的方法：所有功能单元完全流水化所有功能单元完全流水化设置足够多的硬件资源设置足够多的硬件资源但是，硬件代价很大！但是，硬件代价很大！u有些设计方案允许结构相关存在有些设计方案允许结构相关存在降低成本降低成本减少功能单元的延迟减少功能单元的延迟计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构 8 8 8 8例例3.43.4 当前许多机器都没有将浮点功能单元完全流水，当前许多机器都没有将浮点功能单元完全流水，比如在比如在

5、MIPSMIPS实现中，浮点乘需要实现中，浮点乘需要5 5个时钟周期，个时钟周期，但对该指令不流水。请分析由此引起的结构相关但对该指令不流水。请分析由此引起的结构相关 对对mdljdp2mdljdp2基准程序在基准程序在MIPSMIPS上运行的性能有何影上运行的性能有何影 响？为简单起见，假设浮点乘法服从均匀分布。响？为简单起见，假设浮点乘法服从均匀分布。解：解：mdljdp2mdljdp2中浮点乘法出现的频率约为中浮点乘法出现的频率约为14%14%。最坏情况：每个浮点乘都无法与其它操作重叠执最坏情况：每个浮点乘都无法与其它操作重叠执 行，都需要行，都需要5 5个周期，此时个周期，此时CPIC

6、PI为为1.56 1.56 最好情况：可以完全重叠执行，仅需要最好情况：可以完全重叠执行，仅需要1 1个周期，个周期，此时没有性能损失此时没有性能损失计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构 9 9 9 9计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构 101010102.2.通过通过定向技术定向技术减少数据相关带来的暂停减少数据相关带来的暂停定向定向(forwarding)(forwarding)，也称为，也称为旁路旁路(bypassing)(bypassing)工作过程工作过程主要思路：将计算结果从其产生的地方直接送到真主要思路：将计算结果从其产生的地方直接送到真

7、正需要它的地方，就可以避免暂停。正需要它的地方，就可以避免暂停。-寄存器文件寄存器文件EX/MEMEX/MEM中的中的ALUALU运算结果总是回运算结果总是回送到送到ALUALU的输入寄存器的输入寄存器-从定向通路得到输入数据的从定向通路得到输入数据的ALUALU操作不必从源寄操作不必从源寄存器中读取操作数存器中读取操作数计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构 111111112.2.通过定向技术减少数据相关带来的暂停通过定向技术减少数据相关带来的暂停u进一步推广进一步推广：一个结果不仅可以从某一功能单元的：一个结果不仅可以从某一功能单元的输出定向到其自身的输入，而且还可以定

8、向到其它输出定向到其自身的输入，而且还可以定向到其它功能单元的输入。功能单元的输入。(举例举例)u在在MIPSMIPS中，任何流水寄存器到任何功能单元的输入中，任何流水寄存器到任何功能单元的输入都可能需要定向路径，将形成复杂的旁路网络。都可能需要定向路径，将形成复杂的旁路网络。u两条指令访问同一存储单元，也可能引起数据相关，两条指令访问同一存储单元，也可能引起数据相关，例如访问数据例如访问数据CacheCache失效时。失效时。u本章只讨论本章只讨论寄存器数据相关！寄存器数据相关！计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构 12121212计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结

9、构计算机体系结构 131313133.3.数据相关的分类数据相关的分类(2)(2)写后写写后写(WAW WAW)i i 写写j j 写写u如果如果j j 在在i i 之前完成写操作，之前完成写操作，R R中将保存错误的结中将保存错误的结果！果！MIPSMIPS流水线不会出现这种相关！流水线不会出现这种相关！u当流水线中有多个段可以写回，而且当流水线暂当流水线中有多个段可以写回，而且当流水线暂停某条指令的执行时，其后的指令可以继续前进停某条指令的执行时，其后的指令可以继续前进时，可能引起这种类型的相关。时，可能引起这种类型的相关。举例举例计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构

10、14141414计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构 151515154.4.需要暂停的数据相关需要暂停的数据相关u并非所有数据相关都可以通过定向技术解决。并非所有数据相关都可以通过定向技术解决。例例：LWLWR1R1，0 0（R2R2）SUBSUBR4R4，R1R1，R5R5ANDAND R6R6，R1R1，R7R7ORORR8R8，R1R1，R9R9u增加流水线增加流水线“流水线互锁流水线互锁”部件，当互锁硬件发部件，当互锁硬件发现这种相关后，就现这种相关后，就暂停流水线暂停流水线，直到相关消除。，直到相关消除。u这种情况下，暂停的时钟周期数称为这种情况下，暂停的时钟周

11、期数称为“载入延迟载入延迟”。例例1 1时空图时空图计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构 161616165 5对数据相关的编译调度方法对数据相关的编译调度方法u流水线中常常会遇到多种类型的暂停流水线中常常会遇到多种类型的暂停例如，计算表达式例如，计算表达式A=B+CA=B+C时会出现暂停时会出现暂停u编译器可以通过重新排列代码的顺序来消除这种暂编译器可以通过重新排列代码的顺序来消除这种暂停，这种技术就是停，这种技术就是“流水线调度流水线调度”或或“指令调度指令调度”例例3.63.6 请为下列表达式生成没有暂停的请为下列表达式生成没有暂停的MIPSMIPS指令序列指令序列a

12、=b ca=b c；d=e f;d=e f;假设载入延迟为假设载入延迟为1 1个时钟周期。个时钟周期。题解题解计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构 17171717计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构 181818186.6.对对MIPSMIPS流水线控制的实现流水线控制的实现例：例：LoadLoad互锁的检测与实现互锁的检测与实现u在在IDID段检测是否需要启动段检测是否需要启动LoadLoad互锁，必须进行互锁，必须进行三种比较三种比较u一旦检测到相关，控制部件必须在流水线中插入一旦检测到相关，控制部件必须在流水线中插入暂停周期，并使暂停周期，并使I

13、FIF和和IDID段中的指令停止前进段中的指令停止前进-将将ID/EXID/EX中控制部分清中控制部分清0 0-保持保持IF/IDIF/ID的内容不变的内容不变计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构 191919196.6.对对MIPSMIPS流水线控制的实现流水线控制的实现u定向逻辑的实现定向逻辑的实现-所有的定向都是从所有的定向都是从ALU/DMALU/DM的输出到的输出到ALUALU、DMDM或或0 0检测单元的输入检测单元的输入(图示图示)-形成了一个形成了一个旁路网络旁路网络需要比较哪些信息？需要比较哪些信息？ALUALU输入端应采用多少个输入的输入端应采用多少个输

14、入的MUXMUX？计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构 20202020计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构 21212121计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构 23232323计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构 25252525计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构 26262626计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构 27272727计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构 28282828计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构 29292929计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构 30303030计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构 31313131计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构 32323232计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构 33333333计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构 35353535计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构 36363636 谢谢！