目錄
學習重點
- 並行等級
- 指令流水原理
- 指令二級流水
- 指令六級流水
- 影響流水線性能的因素
- 結構相關：資源沖突
- 數據相關：指令重排序
- 控制相關：轉移指令
- 流水線能指標：
- 吞吐率
- 加速比
- 效率
- 流水線多發技術：
- 超標量技術
- 超流水技術
- 超長指令字
- 流水線結構：
- 指令流水結構
- 運算流水結構
- 鎖存器
1.提高機器速度
1.1 提高訪存速度
高速芯片；Cache；多體並行
1.2 提高IO和主機之間的傳送速度
中斷， DMA， 通道， IO處理機， 多總線
1.3 提高運算器速度
高速芯片； 改進算法； 快速進位鏈
1.4 提高整機處理能力
高速器件；改進系統結構，開發系統並行性
2.系統的並行性
1.並行的概念：
- 並發：兩個或兩個以上事件在同一事件段發生
- 同時(並行)：兩個或兩個以上事件在同一時刻發生，時間上相互重疊
2.並行性的等級
- 過程級（程序、進程）：粗粒度 ，軟件實現
- 指令級（指令之間，內部）：細粒度，硬件實現
3.指令流水原理
3.1 串行指令與二級流水
指令的串行執行：
指令的二級流水：
3.2 影響指令流水效率加倍的因素
-
執行時間 > 取指時間
通過指令部件緩沖區解決：
-
條件轉移指令 對指令流水的影響
- 必須等上條指令執行結束才能確定下條指令的地址，等待時間
- 分支預測法：猜測法
3.3 指令六級流水
- FI：取指令
- DI：指令譯碼
- CO：形成操作數
- FO：取操作數
- EI：執行
- WO：結果寫回（寄存器或內存）
4.影響指令流水線性能的因素
4.1 結構相關
不同指令爭用同一功能部件產生資源沖突：FI，FO，WO
對寄存器，運算器的訪問也會發生沖突
解決：
- 停頓：加入氣泡，往后移
- 分立緩存：指令存儲器和數據存儲器分開，half結構
- 指令預取：取指部件利用空閑時間將指令取到緩沖隊列
4.2 數據相關
不同指令因重疊操作，可能改變操作數的 讀/寫 訪問順序
- 寫后讀：(RAW)
- 讀后寫：(WAR)
- 寫后寫：(WAW)
解決方法：
- 后推法：推后指令的讀或寫，等到另一個指令的操作執行完畢再執行
- 旁路技術（前向通道）：前一個指令執行完后，不寫回主存或寄存器，直接送入第二個指令
4.3 控制相關
條件轉移指令引起：
示例：第三條指令是轉移指令
- 指令3 執行(EI)時，直接轉移到指令15
- 導致中間 4~15 的指令全都不執行，造成損失
5.流水線性能(指標)
5.1 吞吐率
單位時間內 流水線 所完成指令 或 輸出結果 的數量
m*Δt：第一條流水線執行完畢時間- 之后每個時間段都有一條指令執行完畢
- 示意圖見5.3
5.2 加速比
阿姆達爾定律
加速比=未用指令流水時間/使用了指令流水時間
示意圖見5.3
5.3 效率
流水線各功能段的利用率
6.流水線多發技術
6.1 超標量技術
- 每個時鍾周期內可並發多條獨立指令，配置多個功能部件
- 不能調整指令的執行順序：通過編譯優化技術，把可並行執行的指令搭配起來
示意圖：
6.2 超流水技術
一個時鍾周期內再分段（3段）
一個時鍾周期內一個功能部件使用多次（3次）
不能調整指令的執行順序：靠編譯程序解決優化問題
每個時鍾之間都有鎖存器：
- 保存前一階段結果
- 為下一階段提供操作數據和信號
6.4 超長指令字技術
- 由編譯程序 將多條能並行操作的指令組合成一條
- 具有多個操作碼字段的 超長指令字 (幾百位)
7.流水線結構
7.1 指令流水
完成一條指令分為6段，每段需要一個時鍾周期（不同CPU不同）
每段之間需要加上鎖存器，理想情況下提高6倍速度
7.2 運算流水
完成 浮點加減運算，大致可分為對階，尾數求和，規格化三個階段
