体系结构课件chapter52章节
137页1、1,5.2 流水方式,基本概念 流水线处理机的主要性能 流水机器的相关处理和控制机构,2,并行处理机的发展之一:流水线处理机,空间并行性 设置多个独立的操作部件 多操作部件处理机 超标量处理机 时间并行性 采用流水线技术。 不增加或只增加少量硬件就能使运算速度提高几倍 流水线处理机 超流水线处理机,3,5.2 .1基本概念,流水是重叠的延伸。 一次重叠:只是把一条指令的解释分解为两个子过程; 流水? 分解为更多的子过程。 时空图表示。,流水线的表示方法,连接图 时空图 预约表,5,6,说明,流水线的每一个阶段称为流水步、流水步骤、流水段、流水线阶段、流水功能段、功能段、流水级、流水节拍等。 在每一个流水段的末尾或开头必须设置一个寄存器,称为流水寄存器、流水锁存器等。会增加指令的执行时间。 为了简化,在一般流水线中不画出流水锁存器 锁存器:平滑不同子部件之间的执行时间差。,7,说明,流水线经过装入、充满、排空三个阶段 流水的最大吞吐率:当流水线正常满负荷流动时的吞吐率。 吞吐率:单位时间内机器所能处理的指令条数 或机器所能输出的结果数。 流水的最大吞吐率取决于子过程所经过的时间t,8,一
2、个浮点加法器流水线的时空图,由求阶差、对阶、尾数加和规格化4个流水段组成,9,流水线的特点,只有连续提供同类任务才能充分发挥流水线的效率 对于指令流水线:要尽量减少因条件分支造成的“断流” 对于操作部件:主要通过编译技术,尽量提供连续的同类操作 在流水线的每一个流水线段中都要设置一个流水锁存器 时间开销:流水线的执行时间加长 是流水线中需要增加的主要硬件之一 各流水段的时间应尽量相等 流水线处理机的基本时钟周期等于时间最长的流水段的时间长度 流水线需要有装入时间、充满时间和排空时间 在理想情况下,当流水线充满后,每隔t时间将会有一个结果流出流水线。,10,2 流水线的分类,从不同角度,有不同的分类 依据向下扩展和向上扩展思路,可分类出在计算机系统不同等级上使用的流水线 向下扩展:子过程细分 向上扩展:多个处理机之间进行流水,11,按流水处理的级别 部件级流水(操作流水线),构成部件内的各个子部件之间的流水。如浮点加法器流水线,12,处理机级流水,构成处理机的各个部件之间的流水。 指令流水线 (Instruction Pipelining) 例如:在采用先行控制器的处理机中,各功能部件之
3、间的流水线,13,系统级流水:构成计算机系统的多个处理机之间的流水。宏流水线 (Macro Pipelining) 每个处理机对同一个数据流专门完成其中的一个任务。,14,按具有的功能多少分类: 单功能流水线:只能完成一种固定功能的流水线 Cray-1计算机中有12条; YH-1计算机有18条; Pentium有一条5段的定点和一条8段的浮点流水线; Pentium有三条指令流水线,其中两条定点指令流水线,一条浮点指令流水线。 多功能流水线:流水线的各段通过不同连接实现不同功能 Texas公司的ASC计算机中的8段流水线,能够实现:定点加减法、定点乘法、浮点加法、浮点乘法、逻辑运算、移位操作、数据转换、向量运算等。,15,16,按多功能流水线的各段能否同时用于多种不同功能联接流水分类: 静态流水线:同一段时间内,多功能流水线中的各个功能段只能按照一种固定的方式连接,实现一种固定的功能。 只有连续出现同一种运算时,流水线的效率才能得到充分的发挥。 动态流水线:在同一段时间内,多功能流水线中的各段可以按照不同的方式连接,同时执行多种功能。,17,18,19,按机器所具有的数据表示分类: 标
4、量流水处理机:没有向量数据,只能用标量循环方式来对向量、数组进行处理。 Amdahl 470V/6 IBM 360/91 向量流水处理机:设置有向量指令和向量运算硬件,能对向量、数组中的各个元素流水地处理。 CRAY-1,20,按流水线中各功能段之间是否有反馈回路分类: 线性流水线(Linear Pipelining):每个流水段都流过一次,且仅流过一次 非线性流水线(Nonlinear Pipelining):在流水线的某些流水段之间有反馈回路或前馈回路,21,5.2 .2流水线处理机的主要性能,通过时空图分析 吞吐率(TP, Throughput Rate) 加速比(Speed Ratio) 效率(Efficiency),22,1吞吐率(TP, Throughput Rate),是流水线单位时间里能流出的任务数或结果数。,23,24,25,吞吐率(续),解决瓶颈子过程的办法 瓶颈段细分,细分,27,瓶颈段并联,28,并联,29,吞吐率(续),说明:,30,2加速比(Speed Ratio),指流水线的速度与等效的非流水线顺序串行方式的速度之比。,31,加速比(续),32,加速比(续
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