計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第15講

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1、計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) 結(jié) 構(gòu) （ 第 15講 ） 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章 基本概念第二章 指令系統(tǒng)第三章 存儲系統(tǒng)第四章 輸入輸出系統(tǒng)第五章 標(biāo)量處理機(jī)第六章 向量處理機(jī)第七章 互連網(wǎng)絡(luò)第八章 并行處理機(jī)和 多處理機(jī) 第五章標(biāo)量處理機(jī)5.1 指令的重疊執(zhí)行方式5.2 流水線技術(shù)5.3 超標(biāo)量處理機(jī)5.4 超流水線處理機(jī)5.5 超標(biāo)量超流水線處理機(jī) 只 有 標(biāo) 量 數(shù) 據(jù) 表 示 和 標(biāo) 量 指 令 系 統(tǒng) 的 處 理 機(jī) 稱為 標(biāo) 量 處 理 機(jī)提 高 指 令 執(zhí) 行 速 度 的 主 要 途 徑 ：(1) 提 高 處 理 機(jī) 的 工 作 主 頻(2) 采 用 更 好 的 算 法 和 設(shè) 計(jì) 更 好

2、 的 功 能 部 件(3) 采 用 指 令 級 并 行 技 術(shù)三 種 指 令 級 并 行 處 理 機(jī) ：(1) 流 水 線 處 理 機(jī) 和 超 流 水 線 (Super- pipelining)處 理 機(jī)(2) 超 標(biāo) 量 (Superscalar)處 理 機(jī)(3) 超 長 指 令 字 (VLIW: Very Long Instruction Word)處 理 機(jī) 5.1 指令的重疊執(zhí)行方式1、順序執(zhí)行方式執(zhí) 行 n條 指 令 所 用 的 時(shí) 間 為 ：如 果 每 段 時(shí) 間 都 為 t， 則 執(zhí) 行 n條 指 令 所 用的 時(shí) 間 為 ： T=3nt ni iii tttT 1( ）執(zhí) 行分

3、 析取 指 令取指令k分析k執(zhí)行k取指令k+1分析k+1執(zhí)行k+1 主 要 優(yōu) 點(diǎn) ：控 制 簡 單 ， 節(jié) 省 設(shè) 備 。主 要 缺 點(diǎn) ：執(zhí) 行 指 令 的 速 度 慢 ， 功 能 部 件 的 利 用 率很 低 。2、一次重疊執(zhí)行方式一 種 最 簡 單 的 流 水 線 方 式如 果 兩 個(gè) 過 程 的 時(shí) 間 相 等 ， 則 執(zhí) 行 n條 指 令的 時(shí) 間 為 ： T=(1+2n)t 取指分析執(zhí)行取指分析執(zhí)行取指分析執(zhí)行主 要 優(yōu) 點(diǎn) ：指 令 的 執(zhí) 行 時(shí) 間 縮 短功 能 部 件 的 利 用 率 明 顯 提 高主 要 缺 點(diǎn) ：需 要 增 加 一 些 硬 件控 制 過 程 稍 復(fù) 雜

4、 3、二次重疊執(zhí)行方式如 果 三 過 程 的 時(shí) 間 相 等 ， 執(zhí) 行 n條 指 令 的 時(shí)間 為 ： T=(2+n)t理 想 情 況 下 同 時(shí) 有 三 條 指 令 在 執(zhí) 行處 理 機(jī) 的 結(jié) 構(gòu) 要 作 比 較 大 的 改 變 ， 必 須 采用 先 行 控 制 方 式取指k+2分析k+2執(zhí)行k+2取指k+1分析k+1執(zhí)行k+1取指k分析k執(zhí)行k 先 行 控 制 方 式 的 原 理1、 采 用 二 次 重 疊 執(zhí) 行 方 式 ， 必 須 解 決 兩 個(gè) 問 題 ： (1) 有 獨(dú) 立 的 取 指 令 部 件 、 指 令 分 析 部 件 和 指 令 執(zhí) 行 部 件 獨(dú) 立 的 控 制 器

5、： 存 儲 控 制 器 、 指 令 控 制 器 、 運(yùn) 算 控 制 器 (2) 要 解 決 訪 問 主 存 儲 器 的 沖 突 問 題 取 指 令 、 分 析 指 令 、 執(zhí) 行 指 令 都 可 能 要 訪 問 存 儲 器2、 解 決 訪 存 沖 突 的 方 法 ： (1) 采 用 低 位 交 叉 存 取 方 式 ： 這 種 方 法 不 能 根 本 解 決 沖 突 問 題 。取 指 令 、 讀 操 作 數(shù) 、 寫 結(jié) 果 。 (2) 兩 個(gè) 獨(dú) 立 的 存 儲 器 ： 獨(dú) 立 的 指 令 存 儲 器 和 數(shù) 據(jù) 存 儲 器 。 如 果 再 規(guī) 定 ， 執(zhí) 行 指 令 所 需 要 的 操 作 數(shù)

6、 和 執(zhí) 行 結(jié) 果 只寫 到 通 用 寄 存 器 ， 那 么 ， 取 指 令 、 分 析 指 令 和 執(zhí) 行 指 令 就可 以 同 時(shí) 進(jìn) 行 。 在 許 多 高 性 能 處 理 機(jī) 中 ， 有 獨(dú) 立 的 指 令 Cache和 數(shù) 據(jù)Cache。 這 種 結(jié) 構(gòu) 被 稱 為 哈 佛 結(jié) 構(gòu) 。 (3) 采 用 先 行 控 制 技 術(shù) 。 先 行 控 制 技 術(shù) 的 關(guān) 鍵 是 緩 沖 技 術(shù) 和 預(yù) 處 理 技 術(shù) 。 緩 沖 技 術(shù) 是 在 工 作 速 度 不 固 定 的 兩 個(gè) 功 能 部 件 之 間 設(shè)置 緩 沖 棧 ， 用 以 平 滑 它 們 的 工 作 。 在 采 用 了 緩 沖

7、 技 術(shù) 和 預(yù) 處 理 技 術(shù) 之 后 ， 運(yùn) 算 器 能 夠 專心 于 數(shù) 據(jù) 的 運(yùn) 算 ， 從 而 大 幅 度 提 高 程 序 的 執(zhí) 行 速 度 。 (2) 兩 個(gè) 獨(dú) 立 的 存 儲 器 ： 獨(dú) 立 的 指 令 存 儲 器 和 數(shù) 據(jù) 存 儲 器 。 如 果 再 規(guī) 定 ， 執(zhí) 行 指 令 所 需 要 的 操 作 數(shù) 和 執(zhí) 行 結(jié) 果 只寫 到 通 用 寄 存 器 ， 那 么 ， 取 指 令 、 分 析 指 令 和 執(zhí) 行 指 令 就可 以 同 時(shí) 進(jìn) 行 。 在 許 多 高 性 能 處 理 機(jī) 中 ， 有 獨(dú) 立 的 指 令 Cache和 數(shù) 據(jù)Cache。 這 種 結(jié) 構(gòu) 被

8、 稱 為 哈 佛 結(jié) 構(gòu) 。 (3) 采 用 先 行 控 制 技 術(shù) 。 先 行 控 制 技 術(shù) 的 關(guān) 鍵 是 緩 沖 技 術(shù) 和 預(yù) 處 理 技 術(shù) 。 緩 沖 技 術(shù) 是 在 工 作 速 度 不 固 定 的 兩 個(gè) 功 能 部 件 之 間 設(shè)置 緩 沖 棧 ， 用 以 平 滑 它 們 的 工 作 。 在 采 用 了 緩 沖 技 術(shù) 和 預(yù) 處 理 技 術(shù) 之 后 ， 運(yùn) 算 器 能 夠 專心 于 數(shù) 據(jù) 的 運(yùn) 算 ， 從 而 大 幅 度 提 高 程 序 的 執(zhí) 行 速 度 。 計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) 結(jié) 構(gòu) （ 第 16講 ） 第五章標(biāo)量處理機(jī)5.1 先行控制技術(shù)5.2 流水線技術(shù)5.3

9、超標(biāo)量處理機(jī)5.4 超流水線處理機(jī)5.5 超標(biāo)量超流水線處理機(jī) 5.2 流水線技術(shù)5.2.1 流水線工作原理5.2.2 流水線的分類5.2.3 線性流水線的性能分析5.2.4 非線性流水線的調(diào)度技術(shù) 5.2 流水線技術(shù)空 間 并 行 性 ：設(shè) 置 多 個(gè) 獨(dú) 立 的 操 作 部 件多 操 作 部 件 處 理 機(jī)超 標(biāo) 量 處 理 機(jī)時(shí) 間 并 行 性 ：采 用 流 水 線 技 術(shù) 。不 增 加 或 只 增 加 少 量 硬 件 就 能 使 運(yùn) 算速 度 提 高 幾 倍流 水 線 處 理 機(jī)超 流 水 線 處 理 機(jī) 5.2.1 流水線工作原理1、簡單流水線流 水 線 的 每 一 個(gè) 階 段 稱

10、為 流 水 步 、 流 水步 驟 、 流 水 段 、 流 水 線 階 段 、 流 水 功能 段 、 功 能 段 、 流 水 級 、 流 水 節(jié) 拍 等 。分析器分析k+1流水鎖存器執(zhí)行部件執(zhí)行k流水鎖存器輸入輸出t1 t2 在 每 一 個(gè) 流 水 段 的 末 尾 或 開 頭 必 須 設(shè) 置一 個(gè) 寄 存 器 ， 稱 為 流 水 寄 存 器 、 流 水鎖 存 器 、 流 水 閘 門 寄 存 器 等 。 會 增 加指 令 的 執(zhí) 行 時(shí) 間 。為 了 簡 化 ， 在 一 般 流 水 線 中 不 畫 出 流 水鎖 存 器 。2、一種指令流水線取指形成操作數(shù)地址譯碼取操作數(shù)執(zhí)行保存結(jié)果 一 般 4至

11、12個(gè) 流 水 段 ， 等 于 及 大 于 8個(gè) 流水 段 的 稱 為 超 流 水 線 處 理 機(jī)3、流水線的時(shí)空圖一 條 簡 單 流 水 線 的 時(shí) 空 圖 ：分析k分析k+1分析k+2分析k+3執(zhí)行k執(zhí)行k+1執(zhí)行k+2執(zhí)行k+3時(shí)間空間0 t1 t2 t3 t4 t5 一 個(gè) 浮 點(diǎn) 加 法 器 流 水 線 的 時(shí) 空 圖 (由 求 階 差 、對 階 、 尾 數(shù) 加 和 規(guī) 格 化 4個(gè) 流 水 段 組 成 )：ED1時(shí)間空間0 t1 t2 t3 t4 t5ED2 ED3 ED4 ED5EA1 EA2 EA3 EA4 EA5MA1MA2MA3MA4MA5NL1 NL2 NL3 NL4 N

12、L5t6 t7 t8NL：規(guī)格化MA：尾數(shù)加EA：對階ED：求階差 4、流水線的主要特點(diǎn)只 有 連 續(xù) 提 供 同 類 任 務(wù) 才 能 充 分 發(fā) 揮 流水 線 的 效 率 ：對 于 指 令 流 水 線 ： 要 盡 量 減 少 因 條 件分 支 造 成 的 “ 斷 流 ”對 于 操 作 部 件 ： 主 要 通 過 編 譯 技 術(shù) ，盡 量 提 供 連 續(xù) 的 同 類 操 作在 流 水 線 的 每 一 個(gè) 流 水 線 段 中 都 要 設(shè) 置一 個(gè) 流 水 鎖 存 器時(shí) 間 開 銷 ： 流 水 線 的 執(zhí) 行 時(shí) 間 加 長是 流 水 線 中 需 要 增 加 的 主 要 硬 件 之 一 各 流 水

13、 段 的 時(shí) 間 應(yīng) 盡 量 相 等流 水 線 處 理 機(jī) 的 基 本 時(shí) 鐘 周 期 等 于 時(shí)間 最 長 的 流 水 段 的 時(shí) 間 長 度流 水 線 需 要 有 “ 裝 入 時(shí) 間 ” 和 “ 排 空 時(shí)間 ” 5.2.2 流水線的分類1、線性流水線與非線性流水線流 水 線 的 各 個(gè) 流 水 段 之 間 是 否 有 反 饋 信 號線 性 流 水 線 (Linear Pipelining)每 個(gè) 流 水 段 都 流 過 一 次 ， 且 僅 流 過 一 次非 線 性 流 水 線 (Nonlinear Pipelining)在 流 水 線 的 某 些 流 水 段 之 間 有 反 饋 回 路或

14、 前 饋 回 路線 性 流 水 線 能 夠 用 流 水 線 連 接 圖 唯 一 表 示非 線 性 流 水 線 必 須 用 流 水 線 連 接 圖 流 水線 預(yù) 約 表 等 共 同 表 示 S1輸入S2 S3輸出前饋回路反饋回路一種簡單的非線性流水線 計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) 結(jié) 構(gòu) （ 第 17講 ） 2、按照流水線的級別來分處 理 機(jī) 級 流 水 線 , 又 稱 為 指 令 流 水 線 (Instruction Pipelining)例 如 ： 在 采 用 先 行 控 制 器 的 處 理 機(jī) 中 ，各 功 能 部 件 之 間 的 流 水 線先行指令緩沖棧輸入先行控制方式中的指令流水線先行指令分析器

15、先行讀數(shù)棧先行操作棧取指譯碼取操作數(shù)指令執(zhí)行部件后行寫數(shù)棧輸出執(zhí)行寫結(jié)果 部 件 級 流 水 線 （ 操 作 流 水 線 ） ， 如 浮 點(diǎn) 加法 器 流 水 線處 理 機(jī) 之 間 的 流 水 線 稱 為 宏 流 水 線 (Macro Pipelining)每 個(gè) 處 理 機(jī) 對 同 一 個(gè) 數(shù) 據(jù) 流 的 不 同 部 分分 別 進(jìn) 行 處 理求階差輸入輸出t1對階尾數(shù)加規(guī)格化t2 t3 t4P1輸入任務(wù)1 M M P2任務(wù)2 MP3任務(wù)3輸出 3、單功能流水線與多功能流水線單 功 能 流 水 線 ：只 能 完 成 一 種 固 定 功 能 的 流 水 線Cray-1計(jì) 算 機(jī) 中 有 12條

16、； YH-1計(jì) 算 機(jī) 有 18條 ； Pentium有 一 條 5段 的 定 點(diǎn) 和 一 條 8段的 浮 點(diǎn) 流 水 線 ； Pentium 有 三 條 指 令 流水 線 ， 其 中 兩 條 定 點(diǎn) 指 令 流 水 線 ， 一 條 浮點(diǎn) 指 令 流 水 線 。 多 功 能 流 水 線 ：流 水 線 的 各 段 通 過 不 同 連 接 實(shí) 現(xiàn) 不 同 功 能 Texas公 司 的 ASC計(jì) 算 機(jī) 中 的 8段 流 水 線 ，能 夠 實(shí) 現(xiàn) ： 定 點(diǎn) 加 減 法 、 定 點(diǎn) 乘 法 、 浮 點(diǎn)加 法 、 浮 點(diǎn) 乘 法 、 邏 輯 運(yùn) 算 、 移 位 操 作 、數(shù) 據(jù) 轉(zhuǎn) 換 、 向 量 運(yùn)

17、 算 等 。 A B A B A B A B輸 入 輸 入 輸 入 輸 入求 階 差 求 階 差 求 階 差 求 階 差 對 階 對 階 對 階 對 階尾 數(shù) 加 尾 數(shù) 加 尾 數(shù) 加 尾 數(shù) 加 規(guī) 格 化 規(guī) 格 化 規(guī) 格 化 規(guī) 格 化尾 數(shù) 乘 尾 數(shù) 乘 尾 數(shù) 乘 尾 數(shù) 乘 累 加 累 加 累 加 累 加輸 出 輸 出 輸 出 輸 出 g= f(A ,B) 定 點(diǎn) 乘 浮 點(diǎn) 加 浮 點(diǎn) 點(diǎn) 積(a)功 能 段 間 的 互 連 (b)定 點(diǎn) 乘 法 (c)浮 點(diǎn) 加 法 (d)浮 點(diǎn) 點(diǎn) 積 4、靜態(tài)流水線與動態(tài)流水線靜 態(tài) 流 水 線 ：同 一 段 時(shí) 間 內(nèi) ， 多 功

18、能 流 水 線 中 的 各 個(gè)功 能 段 只 能 按 照 一 種 固 定 的 方 式 連 接 ，實(shí) 現(xiàn) 一 種 固 定 的 功 能 。只 有 連 續(xù) 出 現(xiàn) 同 一 種 運(yùn) 算 時(shí) ， 流 水 線 的效 率 才 能 得 到 充 分 的 發(fā) 揮 。動 態(tài) 流 水 線 ：在 同 一 段 時(shí) 間 內(nèi) ， 多 功 能 流 水 線 中 的 各段 可 以 按 照 不 同 的 方 式 連 接 ， 同 時(shí) 執(zhí) 行多 種 功 能 。 1時(shí)間空間0 2 3 n1 2 3 n1 2 3 n1 2 3 n1 2 3 n1 2 3 n 1 2 3 4 1 2 3 1 2 1輸入求階差對階尾數(shù)加規(guī)格化尾數(shù)乘累加輸出靜態(tài)流

19、水線時(shí)空圖浮點(diǎn)加法定點(diǎn)乘法 1時(shí)間空間0 2 3 n1 2 3 n1 2 3 n1 2 3 n1 2 3 n1 2 3 n輸入求階差對階尾數(shù)加規(guī)格化尾數(shù)乘累加輸出動態(tài)流水線時(shí)空圖1 2 3 54 61 2 3 541 2 3 41 2 3 浮點(diǎn)加法定點(diǎn)乘法 5、流水線的其他分類方法按 照 數(shù) 據(jù) 表 示 方 式 ：標(biāo) 量 流 水 線 和 向 量 流 水 線按 照 控 制 方 式 ： 同 步 流 水 線 和 異 步 流 水 線順 序 流 水 線 與 亂 序 流 水 線 ：亂 序 流 水 線 又 稱 為 無 序 流 水 線 、 錯(cuò) 序 流水 線 或 異 步 流 水 線 等S1就緒回答S2就緒回答S

20、3就緒回答輸出就緒回答輸入 5.2.3 線性流水線的性能分析衡 量 流 水 線 性 能 的 主 要 指 標(biāo) 有 ：吞 吐 率 、 加 速 比 和 效 率1、吞吐率（Though Put）求 流 水 線 吞 吐 率 的 最 基 本 公 式 ： TP = n / Tkn為 任 務(wù) 數(shù) , Tk為 完 成 n個(gè) 任 務(wù) 所 用 時(shí) 間各 段 執(zhí) 行 時(shí) 間 相 等 ， 輸 入 連 續(xù) 任 務(wù) 情 況 下完 成 n個(gè) 連 續(xù) 任 務(wù) 需 要 的 總 時(shí) 間 為 ：Tk= (k+n-1) t k為 流 水 線 的 段 數(shù) ， t為 時(shí) 鐘 周 期 1時(shí)間空間S1 2 3 n-1 nS2S3S4 1 2

21、3 n-1 n1 2 3 n-1 n1 2 3 n-1 nkt (n-1) tnt (k-1)tT 吞 吐 率 ：最 大 吞 吐 率 為 ：各 段 執(zhí) 行 時(shí) 間 不 相 等 、 輸 入 連 續(xù) 任 務(wù) 情 況 下 ：吞 吐 率 為 ：最 大 吞 吐 率 為 ： tnk nTP )1( nTP Lim nk n t t max ( )1 1 ),max()1( 211 kki i tttnt nTP ),max( 1 21 ktttTP 流 水 線 各 段 執(zhí) 行 時(shí) 間 不 相 等 的 解 決 辦 法S1輸入t1=t S2t2=3t S3t3=t S4t4=t輸出1時(shí)間空間S1S2S3S4

22、t i (n-1)t2Tk2 3 n1 2 3 n1 2 3 n1 2 3 n 一 是 將 “ 瓶 頸 ” 流 水 段 細(xì) 分 (如 果 可 分 的 話 )：二 是 將 “ 瓶 頸 ” 流 水 段 重 復(fù) 設(shè) 置 ：S1輸入輸出t S2-1t S2-2t S2-3t S3t S4tS2(3t)S1輸入輸出t1=t S2-1S2-1S2-1 S3 S4t3=t t4=tt 2=3t 1時(shí)間空間2 3 nS1流水段重復(fù)設(shè)置的流水線S2-1 4 5 6 1 4 -2-1n-22 5 n-13 6 n1 2 3 n4 5 6 -2-11 2 3 n4 5 6 -2-1S2-2S2-3S3S4 2、加速

23、比（Speedup）計(jì) 算 流 水 線 加 速 比 的 基 本 公 式 ：S = 順 序 執(zhí) 行 時(shí) 間 T0 / 流 水 線 執(zhí) 行 時(shí) 間 Tk各 段 執(zhí) 行 時(shí) 間 相 等 ， 輸 入 連 續(xù) 任 務(wù) 情 況 下加 速 比 為 ： 最 大 加 速 比 為 ：各 段 執(zhí) 行 時(shí) 間 不 等 ， 輸 入 連 續(xù) 任 務(wù) 情 況 下實(shí) 際 加 速 比 為 ： 1)1( nk nktnk tnkS S Lim k nk n k nmax 1 計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) 結(jié) 構(gòu) （ 第 18講 ） 5.2.3 線性流水線的性能分析衡 量 流 水 線 性 能 的 主 要 指 標(biāo) 有 ：吞 吐 率 、 加 速

24、 比 和 效 率1、吞吐率（Though Put）求 流 水 線 吞 吐 率 的 最 基 本 公 式 ： TP = n / Tkn為 任 務(wù) 數(shù) , Tk為 完 成 n個(gè) 任 務(wù) 所 用 時(shí) 間各 段 執(zhí) 行 時(shí) 間 相 等 ， 輸 入 連 續(xù) 任 務(wù) 情 況 下完 成 n個(gè) 連 續(xù) 任 務(wù) 需 要 的 總 時(shí) 間 為 ：Tk= (k+n-1) t k為 流 水 線 的 段 數(shù) ， t為 時(shí) 鐘 周 期 1時(shí)間空間S1 2 3 n-1 nS2S3S4 1 2 3 n-1 n1 2 3 n-1 n1 2 3 n-1 nkt (n-1) tnt (k-1)tT 吞 吐 率 ：最 大 吞 吐 率 為

25、 ：各 段 執(zhí) 行 時(shí) 間 不 相 等 、 輸 入 連 續(xù) 任 務(wù) 情 況 下 ：吞 吐 率 為 ：最 大 吞 吐 率 為 ： tnk nTP )1( nTP Lim nk n t t max ( )1 1 ),max()1( 211 kki i tttnt nTP ),max( 1 21 ktttTP 2、加速比（Speedup）計(jì) 算 流 水 線 加 速 比 的 基 本 公 式 ：S = 順 序 執(zhí) 行 時(shí) 間 T0 / 流 水 線 執(zhí) 行 時(shí) 間 Tk各 段 執(zhí) 行 時(shí) 間 相 等 ， 輸 入 連 續(xù) 任 務(wù) 情 況 下加 速 比 為 ： 最 大 加 速 比 為 ：各 段 執(zhí) 行 時(shí) 間

26、 不 等 ， 輸 入 連 續(xù) 任 務(wù) 情 況 下實(shí) 際 加 速 比 為 ： 1)1( nk nktnk tnkS S Lim k nk n k nmax 1 S n tt n t t tiikiik k 11 1 21( ) max( , , , ）K=6K=10任務(wù)個(gè)數(shù)加速比1024681 1 2 4 8 16 3264128 3、效率（Efficiency）計(jì) 算 流 水 線 效 率 的 一 般 公 式 ：各 流 水 段 執(zhí) 行 時(shí) 間 相 等 ， 輸 入 n個(gè) 連 續(xù) 任 務(wù)流 水 線 的 效 率 為 ： 流 水 線 的 最 高 效 率 為 ：各 流 水 段 執(zhí) 行 時(shí) 間 不 等 ，

27、輸 入 n個(gè) 連 續(xù) 任 務(wù)流 水 線 的 效 率 為 ： kTkTknE 0個(gè) 流 水 段 的 總 的 時(shí) 空 區(qū)個(gè) 任 務(wù) 占 用 的 時(shí) 空 區(qū) 1)1( nk ntnkk tnkE 11 max nk nLimE n 流 水 線 各 段 的 設(shè) 備 量 或 各 段 的 價(jià) 格 不 相 等 時(shí) ：流 水 線 的 效 率 為 ：即 ：其 中 ， ai k， 且 ),max()1 211 1 kki i ki i tttntk tnE （ 空 區(qū)個(gè) 流 水 段 的 總 的 加 權(quán) 時(shí) 區(qū)個(gè) 任 務(wù) 占 用 的 加 權(quán) 時(shí) 空knE ),max()1 21 11 1 nki iikiI i k

28、i ii tttntaa tanE （ kaki i 1 流 水 線 的 吞 吐 率 、 加 速 比 與 效 率 的 關(guān) 系 ：因 為因 此 ： E=TP t ， S=kE5、流水線性能分析舉例對 于 單 功 能 線 性 流 水 線 ， 輸 入 連 續(xù) 任 務(wù) 的 情況 ， 通 過 上 面 給 出 的 公 式 很 容 易 計(jì) 算 出流 水 線 的 吞 吐 率 、 加 速 比 和 效 率 。例5.2：用 一 條 4段 浮 點(diǎn) 加 法 器 流 水 線 求 8個(gè)浮 點(diǎn) 數(shù) 的 和 ：Z A B C D E F G Htnk nTP )1( 1 nk nkS 1 nk nE 解：Z = (A+B) +

29、 (C+D) + (E+F) + (G+H)1時(shí)間空間2 3求階差4 5 6 71 2 3 4 5 6 71 2 3 4 5 6 71 2 3 4 5 6 7對階尾數(shù)加規(guī)格化加數(shù)A C E G A+BE+FB D F H C+DG+H A+B+C+DE+F+G+H結(jié)果A+BC+DE+FG+H A+B+C+DE+F+G+H 7個(gè) 浮 點(diǎn) 加 法 共 用 了 15個(gè) 時(shí) 鐘 周 期 。流 水 線 的 吞 吐 率 為 ：流 水 線 的 加 速 比 為 ：流 水 線 的 效 率 為 ： ttTnTP k 1470157 87115740 ttTTS k 470154 740 ttTkTE k 第五章標(biāo)

30、量處理機(jī)5.1 先行控制技術(shù)5.2 流水線技術(shù)5.3 超標(biāo)量處理機(jī)5.4 超流水線處理機(jī)5.5 超標(biāo)量超流水線處理機(jī) 5.3 超標(biāo)量處理機(jī)5.3.1 基本結(jié)構(gòu)5.3.2 單發(fā)射與多發(fā)射 超 標(biāo) 量 處 理 機(jī) ：Intel公 司 的 i860, i960, Pentium處 理 機(jī)Motolora公 司 的 MC88110IBM公 司 的 Power 6000SUN公 司 的 SuperSPARC等 。超 流 水 線 處 理 機(jī) ：SGI公 司 的 MIPS R4000, R5000, R10000等 。超 標(biāo) 量 超 流 水 線 處 理 機(jī) ：DEC公 司 的 Alpha等 。 k段流水線基

31、準(zhǔn)標(biāo)量處理機(jī)m度超標(biāo)量n度超流水線(m,n)度超標(biāo)量超流水機(jī)器類型機(jī)器流水線周期同時(shí)發(fā)射指令條數(shù)指令發(fā)射等待時(shí)間指令級并行度ILP 1個(gè)時(shí)鐘周期1條1個(gè)時(shí)鐘周期1 1m1m 1/n11/nn 1/nm1/nmn超 標(biāo) 量 、 超 流 水 、 超 標(biāo) 量 超 流 水 處 理 機(jī) 的 主 要 性 能 5.3.1 基本結(jié)構(gòu)一 般 流 水 線 處 理 機(jī) ：一 條 指 令 流 水 線 ，一 個(gè) 多 功 能 操 作 部 件 ， 每 個(gè) 時(shí) 鐘 周 期平 均 執(zhí) 行 指 令 的 條 數(shù) 小 于 1。多 操 作 部 件 處 理 機(jī) ：一 條 指 令 流 水 線 ，多 個(gè) 獨(dú) 立 的 操 作 部 件 ， 操

32、作 部 件 可 以采 用 流 水 線 ， 也 可 以 不 流 水 。 多 操 作部 件 處 理 機(jī) 的 指 令 級 并 行 度 小 于 1。 超 標(biāo) 量 處 理 機(jī) 典 型 結(jié) 構(gòu) ：多 條 指 令 流 水 線先 進(jìn) 的 超 標(biāo) 量 處 理 機(jī) 有 ： 定 點(diǎn) 處 理 部件 CPU， 浮 點(diǎn) 處 理 部 件 FPU,圖 形 加 速部 件 GPU大 量 的 通 用 寄 存 器 ， 兩 個(gè) 一 級 高 速Cache超 標(biāo) 量 處 理 機(jī) 的 指 令 級 并 行 度 大 于 1 Motorola公 司 的 MC88110：10個(gè) 操 作 部 件兩 個(gè) 寄 存 器 堆 ： 整 數(shù) 部 件 通 用 寄

33、存 器堆 ， 32個(gè) 32位 寄 存 器 ； 浮 點(diǎn) 部 件 擴(kuò) 展 寄 存器 堆 ， 32個(gè) 80位 寄 存 器 。 每 個(gè) 寄 存 器 堆 有8個(gè) 端 口 ， 分 別 與 8條 內(nèi) 部 總 線 相 連 接 ， 有一 個(gè) 緩 沖 深 度 為 4的 先 行 讀 數(shù) 棧 和 一 個(gè) 緩沖 深 度 為 3的 后 行 寫 數(shù) 棧 。兩 個(gè) 獨(dú) 立 的 高 速 Cache中 ， 各 為 8KB，采 用 兩 路 組 相 聯(lián) 方 式 ，轉(zhuǎn) 移 目 標(biāo) 指 令 Cache， 在 有 兩 路 分 支時(shí) ， 存 放 其 中 一 路 分 支 上 的 指 令 計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) 結(jié) 構(gòu) （ 第 19講 ） Moto

34、rola公 司 的 MC88110：10個(gè) 操 作 部 件兩 個(gè) 寄 存 器 堆 ： 整 數(shù) 部 件 通 用 寄 存 器堆 ， 32個(gè) 32位 寄 存 器 ； 浮 點(diǎn) 部 件 擴(kuò) 展 寄 存器 堆 ， 32個(gè) 80位 寄 存 器 。 每 個(gè) 寄 存 器 堆 有8個(gè) 端 口 ， 分 別 與 8條 內(nèi) 部 總 線 相 連 接 ， 有一 個(gè) 緩 沖 深 度 為 4的 先 行 讀 數(shù) 棧 和 一 個(gè) 緩沖 深 度 為 3的 后 行 寫 數(shù) 棧 。兩 個(gè) 獨(dú) 立 的 高 速 Cache中 ， 各 為 8KB，采 用 兩 路 組 相 聯(lián) 方 式 ，轉(zhuǎn) 移 目 標(biāo) 指 令 Cache， 在 有 兩 路 分

35、支時(shí) ， 存 放 其 中 一 路 分 支 上 的 指 令 整數(shù)部件整數(shù)部件位操作浮點(diǎn)加乘法部件除法部件圖形部件圖形部件內(nèi)部總線讀數(shù)存數(shù)部件通用寄存器堆擴(kuò)展寄存器堆目標(biāo)指令指令分配轉(zhuǎn)移部件數(shù)據(jù)Cache (8KB)指令Cache (8KB)系統(tǒng)總線32位地址總線32位數(shù)據(jù)總線超 標(biāo) 量 處 理 機(jī) MC88110的 結(jié) 構(gòu) 5.3.2 單發(fā)射與多發(fā)射單 發(fā) 射 處 理 機(jī) ：每 個(gè) 周 期 只 取 一 條 指 令 、 只 譯 碼 一條 指 令 ， 只 執(zhí) 行 一 條 指 令 ， 只 寫 回 一 個(gè)運(yùn) 算 結(jié) 果取 指 部 件 和 譯 碼 部 件 各 設(shè) 置 一 套可 以 只 設(shè) 置 一 個(gè) 多

36、功 能 操 作 部 件 ，也 可 以 設(shè) 置 多 個(gè) 獨(dú) 立 的 操 作 部 件操 作 部 件 中 可 以 采 用 流 水 線 結(jié) 構(gòu) ，也 可 以 不 采 用 流 水 線 結(jié) 構(gòu)設(shè) 計(jì) 目 標(biāo) 是 每 個(gè) 時(shí) 鐘 周 期 平 均 執(zhí) 行一 條 指 令 ， ILP的 期 望 值 1 IF時(shí)鐘周期指令I(lǐng)1I2I3 ID EX WRIF ID EX WRIF ID EX WR1 2 3 4 5 6單發(fā)射處理機(jī)的指令流水線時(shí)空圖 IF ID FA1 FA2 FA3MD1MD2MD3ALLS浮點(diǎn)加法部件乘除法部件定點(diǎn)ALU部件取數(shù)存數(shù)部件WR來自指令Cache通用寄存器后行寫數(shù)棧 多 發(fā) 射 處 理

37、機(jī) ：每 個(gè) 周 期 同 時(shí) 取 多 條 指 令 、 同 時(shí) 譯碼 多 條 指 令 ， 同 時(shí) 執(zhí) 行 多 條 指 令 ， 同 時(shí)寫 回 多 個(gè) 運(yùn) 算 結(jié) 果需 要 多 個(gè) 取 指 令 部 件 ， 多 個(gè) 指 令 譯碼 部 件 和 多 個(gè) 寫 結(jié) 果 部 件設(shè) 置 多 個(gè) 指 令 執(zhí) 行 部 件 ， 復(fù) 雜 的 指令 執(zhí) 行 部 件 一 般 采 用 流 水 線 結(jié) 構(gòu)設(shè) 計(jì) 目 標(biāo) 是 每 個(gè) 時(shí) 鐘 周 期 平 均 執(zhí) 行多 條 指 令 ， ILP的 期 望 值 大 于 1 IF時(shí)鐘周期指令I(lǐng)1I2I3 ID EX WR1 2 3 4 5 6多發(fā)射處理機(jī)的指令流水線時(shí)空圖I4I5I6 IF

38、 ID EX WRI7I8I9 IF ID EX WRIF ID EX WRIF ID EX WRIF ID EX WRIF ID EX WRIF ID EX WRIF ID EX WR IF ID FA1 FA2 FA3MD1MD2MD3ALLS浮點(diǎn)加法部件乘除法部件定點(diǎn)ALU部件取數(shù)存數(shù)部件WRIF ID WR 超 標(biāo) 量 處 理 機(jī) ：一 個(gè) 時(shí) 鐘 周 期 內(nèi) 能 夠 同 時(shí) 發(fā) 射 多 條 指令 的 處 理 機(jī) 稱 為 超 標(biāo) 量 處 理 機(jī)必 須 有 兩 條 或 兩 條 以 上 能 夠 同 時(shí) 工 作的 指 令 流 水 線先 行 指 令 窗 口 ：能 夠 從 指 令 Cache中

39、預(yù) 取 多 條 指 令能 夠 對 窗 口 內(nèi) 的 指 令 進(jìn) 行 數(shù) 據(jù) 相 關(guān) 性分 析 和 功 能 部 件 沖 突 的 檢 測窗 口 的 大 小 ： 一 般 為 2至 8條 指 令采 用 目 前 的 指 令 調(diào) 度 技 術(shù) ， 每 個(gè) 周 期發(fā) 射 2至 4條 指 令 比 較 合 理 例 如 ： Intel公 司 的 i860、 i960、 Pentium處 理機(jī) ， Motolora公 司 的 MC88110處 理 機(jī) ，IBM公 司 的 Power 6000處 理 機(jī) 等 每 個(gè) 周 期都 發(fā) 射 兩 條 指 令TI公 司 生 產(chǎn) 的 SuperSPARC處 理 機(jī) 以及 Intel的

40、 Pentium III處 理 機(jī) 等 每 個(gè) 周 期 發(fā)射 三 條 指 令操 作 部 件 的 個(gè) 數(shù) 多 于 每 個(gè) 周 期 發(fā) 射 的指 令 條 數(shù) 。 4個(gè) 至 16個(gè) 操 作 部 件超 標(biāo) 量 處 理 機(jī) 的 指 令 級 并 行 度 ： 1ILP m； m為 每 個(gè) 周 期 發(fā) 射 的 指 令 條 數(shù) 。 IF ID FA1 FA2 FA3MD1MD2MD3ALLS浮點(diǎn)加法部件乘除法部件定點(diǎn)ALU部件取數(shù)存數(shù)部件WRIF ID WRIF ID先行指令窗口 第五章標(biāo)量處理機(jī)5.1 先行控制技術(shù)5.2 流水線技術(shù)5.3 超標(biāo)量處理機(jī)5.4 超流水線處理機(jī)5.5 超標(biāo)量超流水線處理機(jī) 5.4

41、 超流水線處理機(jī)兩 種 定 義 ：一 個(gè) 周 期 內(nèi) 能 夠 分 時(shí) 發(fā) 射 多 條 指令 的 處 理 機(jī) 稱 為 超 流 水 線 處 理 機(jī)指 令 流 水 線 有 8個(gè) 或 更 多 功 能 段 的流 水 線 處 理 機(jī) 稱 為 超 流 水 線 處 理 機(jī)提 高 處 理 機(jī) 性 能 的 不 同 方 法 ：超 標(biāo) 量 處 理 機(jī) 是 通 過 增 加 硬 件 資源 為 代 價(jià) 來 換 取 處 理 機(jī) 性 能 的超 流 水 線 處 理 機(jī) 則 通 過 各 硬 件 部件 充 分 重 疊 工 作 來 提 高 處 理 機(jī) 性 能 兩 種 不 同 并 行 性 ：超 標(biāo) 量 處 理 機(jī) 采 用 的 是 空 間

42、 并 行 性超 流 水 線 處 理 機(jī) 采 用 的 是 時(shí) 間 并 行 性 5.4.1 指令執(zhí)行時(shí)序每 隔 1/n個(gè) 時(shí) 鐘 周 期 發(fā) 射 一 條 指 令 ， 流 水線 周 期 為 1/n個(gè) 時(shí) 鐘 周 期在 超 標(biāo) 量 處 理 機(jī) 中 ， 流 水 線 的 有 些 功 能段 還 可 以 進(jìn) 一 步 細(xì) 分例 如 ： ID功 能 段 可 以 再 細(xì) 分 為 譯 碼 、 讀第 一 操 作 數(shù) 和 讀 第 二 操 作 數(shù) 三 個(gè) 流 水段 。 也 有 些 功 能 段 不 能 再 細(xì) 分 ， 如 WR功 能 段 一 般 不 再 細(xì) 分 。 因 此 有 超 流 水線 的 另 外 一 種 定 義 ： 有

43、 8個(gè) 或 8個(gè) 以 上流 水 段 的 處 理 機(jī) 稱 為 超 流 水 線 處 理 機(jī) IF時(shí)鐘周期指令I(lǐng)1I2I3 ID EX WR1 2 3 4 5 6每個(gè)時(shí)鐘周期分時(shí)發(fā)送3條指令的超流水線I4I5I6 IF ID EX WRI7I8I9 IF ID EX WRIF ID EX WRIF ID EX WRIF ID EX WRIF ID EX WRIF ID EX WRIF ID EX WR 5.4.2 典型處理機(jī)結(jié)構(gòu)MIPS R4000處 理 機(jī) 每 個(gè) 時(shí) 鐘 周 期 包 含 兩個(gè) 流 水 段 ， 是 一 種 很 標(biāo) 準(zhǔn) 的 超 流 水 線處 理 機(jī) 結(jié) 構(gòu) 。 指 令 流 水 線 有

44、 8個(gè) 流 水 段有 兩 個(gè) Cache， 指 令 Cache和 數(shù) 據(jù) Cache的容 量 各 8KB， 每 個(gè) 時(shí) 鐘 周 期 可 以 訪 問Cache兩 次 ， 因 此 在 一 個(gè) 時(shí) 鐘 周 期 內(nèi) 可以 從 指 令 Cache中 讀 出 兩 條 指 令 ， 從 數(shù)據(jù) Cache中 讀 出 或 寫 入 兩 個(gè) 數(shù) 據(jù) 。主 要 運(yùn) 算 部 件 有 整 數(shù) 部 件 和 浮 點(diǎn) 部 件 譯 碼 數(shù) 據(jù)C a c h e 標(biāo) 志 標(biāo) 志 指 令C a c h e 譯 碼 存 入緩 沖 對 準(zhǔn) 器 IB U S 寫 入 緩 沖 器 數(shù) 據(jù) 標(biāo) 志 地 址 D B U S 系 統(tǒng) 控 制 浮 點(diǎn)

45、 存 儲 管 理 部 件寄 存 器 堆 指 令 快 表 浮 點(diǎn) 流 水 線 專 用 通 路 指 令 C ache 控 制 快 表 TL B 浮 點(diǎn) 控 制 寄 存 器 D V A IV A浮 點(diǎn) 乘 法 部 件 地 址 部 件 浮 點(diǎn) 除 法 部 件 數(shù) 據(jù) C ache 控 制 程 序 計(jì) 數(shù) 器 浮 點(diǎn) 加 法 部 件 流 水 線 通 用 寄 存 器 堆 轉(zhuǎn) 換 部 件 控 制 算 術(shù) 邏 輯 部 件 A L U 求 平 方 根 部 件 裝 入 對 準(zhǔn) 器 / 存 入 驅(qū) 動 器 整 數(shù) 乘 法 除 法 部 件 M I P S R 4 0 0 0 超 流 水 線 處 理 機(jī) 結(jié) 構(gòu) 指令C

46、acheMIPS R4000處 理 機(jī) 的 流 水 線 操 作IF： 取 第 一 條 指 令 IS： 取 第 二 條 指 令RF： 讀 寄 存 器 堆 ， 指 令 譯 碼EX： 執(zhí) 行 指 令 DF： 取 第 一 個(gè) 數(shù) 據(jù)DS： 取 第 二 個(gè) 數(shù) 據(jù) TC： 數(shù) 據(jù) 標(biāo) 志校 驗(yàn) ； WB： 寫 回 結(jié) 果指令譯碼讀寄存器堆ALU數(shù)據(jù)Cache標(biāo)志檢驗(yàn)寄存器堆IF IS RF EX DF DS WBTC IF流水線周期當(dāng)前CPU周期IS RF EX DF DS TCWBIF IS RF EX DF DS TCWBIF IS RF EX DF DS TCWBIF IS RF EX DF DS

47、 TCWBIF IS RF EX DF DS TCWBIF IS RF EX DF DS TCWBIF IS RF EX DF DS TCWBIF IS RF EX DF DS TCWB主時(shí)鐘周期MIPS R4000正常指令流水線工作時(shí)序 如 果 在 LOAD指 令 之 后 的 兩 條 指 令 中 ，任 何 一 條 指 令 要 在 它 的 EX流 水 級 使用 這 個(gè) 數(shù) 據(jù) ， 則 指 令 流 水 線 要 暫 停 一個(gè) 時(shí) 鐘 周 期采 用 順 序 發(fā) 射 方 式 暫停IF IS RF EX DF DS TC WBMIPS R4000正常指令流水線工作時(shí)序IS RF EX DF DS TC

48、WBRF EX DF DS TC WBEX DF DS TC WBEX DF DS TC WBDF DS TC WBIFISRFI1I2I3I4I5I6運(yùn)行運(yùn)行Load指令使用Load數(shù)據(jù) 5.4.3 超流水線處理機(jī)性能指 令 級 并 行 度 為 (1,n)的 超 流 水 線 處 理 機(jī) ，執(zhí) 行 N條 指 令 所 的 時(shí) 間 為 ：超 流 水 線 處 理 機(jī) 相 對 于 單 流 水 線 普 通 標(biāo)量 處 理 機(jī) 的 加 速 比 為 ： tnknT N )(),( 11 tnNk tNknTTnS )1( )1(),1( )1,1(),(1 即 ：超 流 水 線 處 理 機(jī) 的 加 速 比 的

49、 最 大 值 為 ：S(1,n)MAX = n 1)1(),1( Nnk NknnS 第五章標(biāo)量處理機(jī)5.1 先行控制技術(shù)5.2 流水線技術(shù)5.3 超標(biāo)量處理機(jī)5.4 超流水線處理機(jī)5.5 超標(biāo)量超流水線處理機(jī) 5.5 超標(biāo)量超流水線處理機(jī)把 超 標(biāo) 量 與 超 流 水 線 技 術(shù) 結(jié) 合 在 一起 ， 就 成 為 超 標(biāo) 量 超 流 水 線 處 理 機(jī)5.5.1 指令執(zhí)行時(shí)序5.5.2 典型處理機(jī)結(jié)構(gòu)5.5.3 超標(biāo)量超流水線處理機(jī)性能5.5.4 三種指令級并行性處理機(jī)性能比較 5.5.1 指令執(zhí)行時(shí)序超 標(biāo) 量 超 流 水 線 處 理 機(jī) 在 一 個(gè) 時(shí) 鐘 周期 內(nèi) 分 時(shí) 發(fā) 射 指

50、令 n次 ， 每 次 同 時(shí) 發(fā)射 指 令 m條 ， 每 個(gè) 時(shí) 鐘 周 期 總 共 發(fā) 射指 令 m n條 。 IF時(shí)鐘周期指令I(lǐng)1I2I3 ID EX WR1 2 3 4 5I4I5I6I7I8I9 IF ID EX WRIF ID EX WRIF ID EX WRIF ID EX WRIF ID EX WRIF ID EX WRIF ID EX WRIF ID EX WRIF ID EX WRIF ID EX WRIF ID EX WRI10I 11I12 每時(shí)鐘周期發(fā)射3次,每次3條指令 5.5.2 典型處理機(jī)結(jié)構(gòu)DEC公 司 的 Alpha處 理 機(jī) 采 用 超 標(biāo) 量 超 流水 線

51、 結(jié) 構(gòu) 。 主 要 由 四 個(gè) 功 能 部 件 和 兩個(gè) Cache組 成 ： 整 數(shù) 部 件 EBOX、 浮 點(diǎn)部 件 FBOX、 地 址 部 件 ABOX和 中 央控 制 部 件 IBOX。中 央 控 制 部 件 IBOX可 以 同 時(shí) 從 指 令Cache中 讀 入 兩 條 指 令 ， 同 時(shí) 對 讀 入的 兩 條 指 令 進(jìn) 行 譯 碼 ， 并 且 對 這 兩 條指 令 作 資 源 沖 突 檢 測 ， 進(jìn) 行 數(shù) 據(jù) 相 關(guān)性 和 控 制 相 關(guān) 性 分 析 。 如 果 資 源 和 相 關(guān) 性 允 許 ， IBOX就 把 兩 條 指 令 同 時(shí) 發(fā)射 給 EBOX、 ABOX和 FB

52、OX三 個(gè) 指 令執(zhí) 行 部 件 中 的 兩 個(gè) 。指 令 流 水 線 采 用 順 序 發(fā) 射 亂 序 完 成 的 控制 方 式 。 在 指 令 Cache中 有 一 個(gè) 轉(zhuǎn) 移歷 史 表 ， 實(shí) 現(xiàn) 條 件 轉(zhuǎn) 移 的 動 態(tài) 預(yù) 測 。在 EBOX內(nèi) 還 有 多 條 專 用 數(shù) 據(jù) 通 路 ，可 以 把 運(yùn) 算 結(jié) 果 直 接 送 到 執(zhí) 行 部 件 。Alpha 21064處 理 機(jī) 共 有 三 條 指 令 流 水 線整 數(shù) 操 作 流 水 線 和 訪 問 存 儲 器 流 水 線分 為 7個(gè) 流 水 段 ， 其 中 ， 取 指 令 和 分 析 指 令 為 4個(gè) 流 水 段 ， 運(yùn) 算 2

53、個(gè) 流 水 段 ，寫 結(jié) 果 1個(gè) 流 水 段 。 浮 點(diǎn) 操 作 流 水 線分 為 10個(gè) 流 水 段 ， 其 中 ， 浮 點(diǎn) 執(zhí) 行 部件 FBOX的 延 遲 時(shí) 間 為 6個(gè) 流 水 段 。所 有 指 令 執(zhí) 行 部 件 EBOX、 IBOX、ABOX和 FBOX中 都 設(shè) 置 由 專 用 數(shù) 據(jù)通 路 。 指 令 Cache（ 8KB） 轉(zhuǎn) 移 歷 史 表 區(qū) 號 指 令 地 址 總 線 EBO X IBO X FBO X 3 4 位 乘 法 器 預(yù) 取 器 乘 法 器 / 加 法 器 資 源 沖 突 檢 測 加 法 器 移 位 器 P C 計(jì) 算 數(shù) 據(jù) 總 線 邏 輯 單 元 指

54、令 快 表 除 法 器 1 2 8 位 流 水 線 控 制定 點(diǎn) 寄 存 器 堆 （ 3 2 6 4 ） 浮 點(diǎn) 寄 存 器 堆 （ 3 2 6 4 ） ABO X 總 線 接 口 部 外 部 Cache 寫 數(shù) 緩 沖 器 地 址 發(fā) 生 器 數(shù) 據(jù) 快 表 讀 數(shù) 緩 沖 器 控 制 件 數(shù) 據(jù) Cache（ 8KB） 區(qū) 號 數(shù) 據(jù) Alpha 21064 處 理 機(jī) 結(jié) 構(gòu) 除 法 器 析 指 令 為 4個(gè) 流 水 段 ， 運(yùn) 算 2個(gè) 流 水 段 ，寫 結(jié) 果 1個(gè) 流 水 段 。 浮 點(diǎn) 操 作 流 水 線分 為 10個(gè) 流 水 段 ， 其 中 ， 浮 點(diǎn) 執(zhí) 行 部件 FBOX的

55、 延 遲 時(shí) 間 為 6個(gè) 流 水 段 。所 有 指 令 執(zhí) 行 部 件 EBOX、 IBOX、ABOX和 FBOX中 都 設(shè) 置 由 專 用 數(shù) 據(jù)通 路 。Alpha 21064處 理 機(jī) 的 三 條 指 令 流 水 線 的平 均 段 數(shù) 為 8段 ， 每 個(gè) 時(shí) 鐘 周 期 發(fā) 射兩 條 指 令 。 因 此 ， Alpha 21064處 理 機(jī)是 超 標(biāo) 量 超 流 水 線 處 理 機(jī) 。 SWAPIF 取 值SWAP 交 換 雙 發(fā) 射 指 令 、 轉(zhuǎn) 移 預(yù) 測I0 指 令 譯 碼I1 訪 問 通 用 寄 存 器 堆 ， 發(fā) 射 校 驗(yàn)A1 計(jì) 算 周 期 1， IBOX計(jì) 算 新

56、的 PC值A(chǔ)2 計(jì) 算 周 期 2， 查 指 令 快 表WR 寫 整 數(shù) 寄 存 器 堆 ， 指 令 Cache命 中 檢 測17個(gè)流水段的整數(shù)操作流水線IF I0 I1 A0 A1 WR2 3 4 5 60 SWAPIF 取 值SWAP 交 換 雙 發(fā) 射 指 令 、 轉(zhuǎn) 移 預(yù) 測I0 指 令 譯 碼I1 訪 問 通 用 寄 存 器 堆 ， 發(fā) 射 校 驗(yàn)AC ABOX計(jì) 算 有 效 數(shù) 據(jù) 地 址TB 查 數(shù) 據(jù) 快 表HM 寫 讀 數(shù) 緩 沖 棧 ， 數(shù) 據(jù) Cache命 中 /不 命 中 檢 測17個(gè)流水段的訪問存儲器流水線IF I0 I1 AC TB HM2 3 4 5 60 SW

57、APIF 取 值SWAP 交 換 雙 發(fā) 射 指 令 、 轉(zhuǎn) 移 預(yù) 測I0 指 令 譯 碼I1 訪 問 通 用 寄 存 器 堆 ， 發(fā) 射 校 驗(yàn)F1-F5 浮 點(diǎn) 計(jì) 算 流 水 線FWR 寫 回 浮 點(diǎn) 寄 存 器 堆110個(gè)流水段的浮點(diǎn)操作流水線IF I0 I1 F1 F2 FWR2 3 4 5 60 F3 F4 F57 8 9 5.5.3 超標(biāo)量超流水線處理機(jī)性能指 令 級 并 行 度 為 (m,n)的 超 標(biāo) 量 超 流 水 線處 理 機(jī) ， 連 續(xù) 執(zhí) 行 N條 指 令 所 需 要 的時(shí) 間 為 ：超 標(biāo) 量 超 流 水 線 處 理 機(jī) 相 對 于 單 流 水 線標(biāo) 量 處 理 機(jī) 的 加 速 比 為 ：T m n k N mm n t( , ) ( ) t mnmNk tNknmSSnmS )( )1(),( )1,1(),( 在 理 想 情 況 下 ， 超 標(biāo) 量 超 流 水 線 處 理 機(jī)加 速 比 的 最 大 值 為 ：S(m, n)MAX m nmNknm NknmnmS )1(),( 本 章 重 點(diǎn)1、指令的重疊執(zhí)行方式及時(shí)空圖表示方法2、線性流水線的性能分析及計(jì)算3、超標(biāo)量處理機(jī)的指令執(zhí)行時(shí)序及性能4、超流水線處理機(jī)的指令執(zhí)行時(shí)序及性能5、超標(biāo)量超流水線處理機(jī)的指令執(zhí)行時(shí)序 及性能 練習(xí)題：5.2 5.6 5.7 5.8 5.15