第5章 流水處理機(jī)

1、,1、并行性的含義：并行性是指問(wèn)題中具有可同時(shí)運(yùn)算或操作的特性。同時(shí)性：兩個(gè)或多個(gè)事件在同一時(shí)刻發(fā)生；并發(fā)性：兩個(gè)或多個(gè)事件在同一時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)生；,引言：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的并行性發(fā)展,,2、開(kāi)發(fā)并行性的途徑：時(shí)間重疊：——讓多個(gè)處理過(guò)程在時(shí)間上錯(cuò)開(kāi)，輪流重疊地使用同一套硬件設(shè)備的各個(gè)部分，使之加快硬件使用的周轉(zhuǎn)來(lái)贏(yíng)得速度。（流水線(xiàn)處理機(jī)）資源重復(fù)：——通過(guò)重復(fù)設(shè)置硬件資源來(lái)提高性能或可靠性。（并行處理機(jī)、相聯(lián)處理機(jī)）資源共享：—

2、—用軟件的方法讓多個(gè)用戶(hù)共用同一套資源，通過(guò)提高系統(tǒng)資源的利用率來(lái)提高系統(tǒng)的效率和性能。（多處理機(jī)）,3、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的分類(lèi)：SISD——單指令流單數(shù)據(jù)流Single Instruction Stream Single Data Stream流水線(xiàn)處理機(jī),,SIMD——單指令流多數(shù)據(jù)流Single Instruction Stream Multiple Data Stream并行處理機(jī),MISD——多指令流單數(shù)據(jù)流Multip

3、le Instruction Stream Single Data Stream,MIMD——多指令流多數(shù)據(jù)流Multiple Instruction Stream Multiple Data Stream多處理機(jī),一、重疊方式 1、指令的順序方式與重疊方式解釋 指令的順序解釋方式指的是指令與指令之間順序串行，指令內(nèi)的各個(gè)微操作之間也是順序串行的。優(yōu)點(diǎn)：每條指令轉(zhuǎn)入下一條指令的時(shí)間關(guān)系是確定的，指令間相互的

4、關(guān)聯(lián)關(guān)系易于得到控制和處理。缺點(diǎn)：程序解釋的速度低，系統(tǒng)內(nèi)各部件的時(shí)間利用率低。,指令的重疊解釋方式是在相鄰的指令之間，讓取指令、分析指令、執(zhí)行指令等操作在時(shí)間上錯(cuò)開(kāi)重疊的進(jìn)行，而指令內(nèi)部的微操作仍然是順序串行的。一次重疊：在任何時(shí)間都只有“執(zhí)行K”與“分析K+1”在時(shí)間上重疊。,采用“一次重疊”的好處是系統(tǒng)只需要一套指令分析部件和一套指令執(zhí)行部件，節(jié)省了硬件，也簡(jiǎn)化了指令之間的相關(guān)控制。為了使“一次重疊”方式的系統(tǒng)能有較高的重疊效

5、率，應(yīng)使“分析”和“執(zhí)行”的時(shí)間盡可能調(diào)整成一樣的。 重疊解釋不能加快每條指令的解釋速度，但在硬件增加不多的情形下，可以加快相鄰兩條指令以及整段程序的解釋?zhuān)瓜到y(tǒng)的性能價(jià)格比有顯著提高。,2、重疊方式對(duì)計(jì)算機(jī)組成的要求為解決“分析K+1”、“執(zhí)行K”在重疊時(shí)的訪(fǎng)主存沖突，可采用的辦法：①、分別設(shè)置各自獨(dú)立編址的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和指令存儲(chǔ)器，讓存、取操作數(shù)和取指令可同時(shí)訪(fǎng)存。缺點(diǎn)：增加了總線(xiàn)控制和軟件設(shè)計(jì)的負(fù)擔(dān)。②、讓主存

6、用邏輯上統(tǒng)一編址的多分體交叉訪(fǎng)問(wèn)的并行組成方式。缺點(diǎn)：可能發(fā)生分體沖突，而使并行度受到限制③、在硬件上，增設(shè)有一定容量的指令緩沖器和數(shù)據(jù)緩沖器，讓主存插空將預(yù)取的指令存入指令緩沖器，或?qū)⒁獙?xiě)入的數(shù)據(jù)暫時(shí)存入數(shù)據(jù)緩沖器中。 目前，多采用第二、三種辦法的組合。,3．“一次重疊”方式的相關(guān)控制指令相關(guān)：下一條指令的內(nèi)容取決于上一條指令的執(zhí)行結(jié)果。條件轉(zhuǎn)移指令與后繼指令存在著相關(guān)性，會(huì)使重疊效率下降。因此，程序中應(yīng)盡量減少條件轉(zhuǎn)移指

7、令的使用。在需要使用條件轉(zhuǎn)移指令時(shí)，可采用“延遲轉(zhuǎn)移”的技術(shù)，由編譯程序生成目標(biāo)程序時(shí)，將條件轉(zhuǎn)移指令與其前面的指令交換位置，可使重疊效率不致下降。另外因?yàn)橹噶钤诔绦虻膱?zhí)行過(guò)程中允許被修改（本條指令要等到之前的指令執(zhí)行完后才能修改形成好）也可能造成指令相關(guān)。解決這種指令相關(guān)的根本辦法是在機(jī)器中規(guī)定指令在執(zhí)行過(guò)程中不允許修改。但是，為了滿(mǎn)足用戶(hù)編程的靈活性，需要修改指令時(shí)，可以設(shè)置類(lèi)似IBM 370 的“執(zhí)行”指令，將指令相關(guān)轉(zhuǎn)成操作

8、數(shù)相關(guān)，統(tǒng)一按操作數(shù)相關(guān)來(lái)處理。,數(shù)相關(guān)：主存空間的數(shù)相關(guān)：它是在相鄰指令之間出現(xiàn)了對(duì)主存同一單元要求在先的指令必須先完成寫(xiě)，在后的指令才能讀的“先寫(xiě)后讀”相關(guān)。由于發(fā)生主存空間數(shù)相關(guān)的概率很低，為此可以采取推后后繼指令對(duì)相關(guān)單元的讀操作的辦法來(lái)解決。通用寄存器組的數(shù)相關(guān)： 推后后繼指令的分析； 設(shè)置“相關(guān)專(zhuān)用通道”,,二、流水方式 1、流水是重疊的引申“一次重疊”是把指令的解釋分成兩個(gè)子過(guò)程，讓

9、相鄰的指令在時(shí)間上錯(cuò)開(kāi)重疊的解釋?zhuān)虼?，“一次重疊”對(duì)速度的提高最多也只是順序方式的兩倍。流水則是把指令的解釋分成更多個(gè)（m個(gè)）子過(guò)程，讓相鄰的m條指令的解釋在時(shí)間上錯(cuò)開(kāi)重疊。,2、  流水線(xiàn)的分類(lèi)部件級(jí)流水——處理機(jī)級(jí)流水——系統(tǒng)級(jí)流水部件機(jī)流水是指部件內(nèi)的各個(gè)子部件之間的流水，如分析部件內(nèi)部的取址、譯碼、地址形成和取數(shù)之間的流水；浮點(diǎn)加/減法運(yùn)算器內(nèi)的求階差、對(duì)階、尾數(shù)加/減和尾數(shù)規(guī)格化之間的流水；Cache存儲(chǔ)器內(nèi)查

10、地址映象表進(jìn)行地址變換與訪(fǎng)物理Cache之間的流水處理機(jī)級(jí)流水是指構(gòu)成處理機(jī)的各個(gè)部件之間的流水，如取指、分析、執(zhí)行部件間的流水系統(tǒng)級(jí)流水是指處理機(jī)之間的流水，如宏流水，在任務(wù)、作業(yè)一級(jí)上的流水,單功能流水——多功能流水單功能流水是指流水線(xiàn)內(nèi)各段固定連接，只能完成單一的一種功能多功能流水是指流水線(xiàn)中各個(gè)段可以有多種不同的連接，以實(shí)現(xiàn)多種不同的功能在多功能流水線(xiàn)的基礎(chǔ)上，靜態(tài)流水——?jiǎng)討B(tài)流水靜態(tài)流水是指在流水線(xiàn)內(nèi)各個(gè)段于同一時(shí)

11、間里只能按其中的一種功能流水，只有等各個(gè)段全部空閑后，才能切換成按另一種功能的連接來(lái)流水，把功能負(fù)擔(dān)加到軟件調(diào)整上。動(dòng)態(tài)流水是指流水線(xiàn)的各個(gè)段可以同時(shí)為不同的功能服務(wù)，把功能負(fù)擔(dān)加到硬件控制上。,時(shí)間,空間,線(xiàn)性流水——非線(xiàn)性流水線(xiàn)性流水線(xiàn)中各個(gè)段之間串行的連接，無(wú)反饋也無(wú)跳躍，每個(gè)任務(wù)流經(jīng)流水線(xiàn)中各個(gè)段均只有一次。非線(xiàn)性流水是指如果流水線(xiàn)中除有串行聯(lián)接的通路外，還有某種反饋回路，使一個(gè)任務(wù)流經(jīng)流水線(xiàn)時(shí)，需多次經(jīng)過(guò)某個(gè)段或越過(guò)某些

12、段。,向量流水機(jī)——標(biāo)量流水機(jī)標(biāo)量流水機(jī)則只有流水線(xiàn)，沒(méi)有向量數(shù)據(jù)表示，處理向量、數(shù)組時(shí)需要借用程序的循環(huán)和變址向量流水機(jī)是向量數(shù)據(jù)表示和流水線(xiàn)的結(jié)合,3、流水線(xiàn)處理機(jī)的主要性能吞吐率和效率是反映流水機(jī)器性能的主要指標(biāo)吞吐率指的是在單位時(shí)間內(nèi)，流水線(xiàn)機(jī)器所能處理的數(shù)據(jù)、指令或任務(wù)的數(shù)目效率是指流水線(xiàn)中設(shè)備實(shí)際使用時(shí)間占整個(gè)運(yùn)行時(shí)間之比，也稱(chēng)為流水線(xiàn)設(shè)備的時(shí)間利用率；從時(shí)—空?qǐng)D上看，效率實(shí)際上就是n個(gè)任務(wù)占用的時(shí)—空區(qū)面積和m

13、個(gè)段總的時(shí)—空區(qū)面積之比。,空間,時(shí)間,提高吞吐率的兩個(gè)措施：,,2,空間,時(shí)間,,1、將瓶頸子過(guò)程再細(xì)化,空間,時(shí)間,2、重復(fù)設(shè)置多套瓶頸段并使之并聯(lián),實(shí)際吞吐率：,設(shè)一 m 段流水線(xiàn)的各段經(jīng)過(guò)時(shí)間均為△t 0，則最大吞吐率TPmax是 1/ △t 0 ；則完成n條指令共需要T = m* △t 0 + (n –1)* △t 0 則實(shí)際吞吐率 TP = n / (m* △t 0 + (n –1)* △t 0 ) = Tpmax /

14、 (1 + (m –1) / n),空間,時(shí)間,補(bǔ)充：用加速比表示流水線(xiàn)方式相對(duì)于非流水線(xiàn)順序串行方式速度提高的比值。非流水線(xiàn)順序串行方式： n*m* △t 0 流水線(xiàn)方式：m* △t 0 + (n –1)* △t 0 加速比：Sp = m / 1 + (m -1) / n結(jié)論：如果線(xiàn)性流水線(xiàn)的各段時(shí)間相同，僅當(dāng) n >> m 時(shí)，即連續(xù)流入的任務(wù)數(shù)n遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于流水線(xiàn)子過(guò)程數(shù)m的時(shí)候，其加速比才能趨于最大值，為流水線(xiàn)

15、的段數(shù)m。,設(shè)有兩個(gè)向量A和B，各有4個(gè)元素，要在如下圖所示的靜態(tài)雙功能流水線(xiàn)上，計(jì)算向量點(diǎn)積A·B（a1*b1+a2*b2+a3*b3+a4*b4）。其中，1→2→3→5組成加法流水線(xiàn)，1→4→5組成乘法流水線(xiàn)。又設(shè)每個(gè)流水線(xiàn)所經(jīng)過(guò)的時(shí)間均為△t 0 ，而且流水線(xiàn)的輸出結(jié)果可以直接返回到輸入或暫存于相應(yīng)的緩沖寄存器中，其延遲時(shí)間和功能切換所需的時(shí)間都可以忽略不計(jì)。請(qǐng)求出流水線(xiàn)從開(kāi)始流入到結(jié)果流出這段時(shí)間的實(shí)際吞吐率TP和效

16、率η 。,空間,時(shí)間,實(shí)際吞吐率：7/15加速比：24 △t 0 / 15 △t 0 = 1.6效率： 24 △t 0 / 75 △t 0 = 0.32,t取指+100t分析+99max｛t取指，t執(zhí)行｝+t執(zhí)行,…,…,t取指+ max｛t取指，t分析｝+ 98max｛t取指，t分析，t執(zhí)行｝+max｛t分析，t執(zhí)行｝+t執(zhí)行,【｛(A1+A2)+(A3+A4)｝+(A9+A10)】+｛(A5+A6)+(A7+A8)｝,空

17、間,時(shí)間,A*(B+C*(D+E*F))+G*H = A*B+A*C*D+A*C*E*F+G*H,A*C,E*F,1*D,1*2,A*B,G*H,5+3,4+6,吞吐率：3/8；效率：3/8；,A1*B1+ A2*B2+ A3*B3+ A4*B4+ A5*B5+ A6*B6+ A7*B7+ A8*B8,空間,時(shí)間,空間,時(shí)間,⑴、（8+7）*5=75；,乘法,加法,乘法,加法,⑵、（2+7）*5=45；,,乘法,加法,,12,20,空間

18、,時(shí)間,空間,時(shí)間,,,1+2; 3+4; 5+6; 12+7; 34+8; 56+127; 348+12567,4、流水線(xiàn)的任務(wù)調(diào)度——非線(xiàn)性流水線(xiàn)預(yù)約表：二維的預(yù)約表其實(shí)就是一個(gè)任務(wù)在流水時(shí)的時(shí)空?qǐng)D；延遲禁止表：將流水線(xiàn)中所有各段對(duì)一個(gè)任務(wù)流過(guò)時(shí)會(huì)爭(zhēng)用同一段的節(jié)拍間隔數(shù)匯集在一起，就構(gòu)成一個(gè)延遲禁止表；初始沖突向量：由延遲禁止表可轉(zhuǎn)換得到初始沖突向量；沖突向量中第I位的狀態(tài)用以表示與當(dāng)時(shí)相隔 I 拍給流水線(xiàn)送入后繼任務(wù)是否會(huì)發(fā)

19、生功能段的使用沖突；如果不會(huì)發(fā)生沖突，令該位為0，表示允許送入，否則，讓該位為1，表示禁止送入。如果每個(gè)任務(wù)通過(guò)流水線(xiàn)需要n拍，則沖突向量取n – 1位。由初始沖突向量可以得到狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。預(yù)約表打√ 最多的行是流水線(xiàn)的性能瓶頸，其√ 的個(gè)數(shù)實(shí)際上限定了流水線(xiàn)可達(dá)到的最短平均間隔拍數(shù)。,,由初始狀態(tài)出發(fā)，構(gòu)成一種間隔拍數(shù)呈周期性重復(fù)的方案,禁止向量：8，1，3，4，,5、流水機(jī)器的相關(guān)——全局性相關(guān)和局部性相關(guān)全局性相關(guān)：轉(zhuǎn)移指令

20、與其后繼指令之間的相關(guān)發(fā)生全局性相關(guān)時(shí)，不僅不能同時(shí)解釋?zhuān)€會(huì)使指令緩沖器所預(yù)取的指令全部作廢，重新花較長(zhǎng)的時(shí)間再去訪(fǎng)問(wèn)主存取出指令；它對(duì)流水線(xiàn)性能的下降有著至關(guān)重要的影響；局部性相關(guān)：指令相關(guān)、主存數(shù)相關(guān)、通用寄存器組的數(shù)相關(guān)、基（變）址值相關(guān)等；這些相關(guān)都只影響到使相關(guān)的指令在某些功能段上停留等待一段時(shí)間，不會(huì)影響到使流水線(xiàn)需要等待，去重新訪(fǎng)問(wèn)主存取指令。這樣，它們對(duì)流水線(xiàn)的吞吐率和效率的下降的影響是局部的，所以稱(chēng)為局部性相關(guān)。

21、,⑴、流水線(xiàn)全局性相關(guān)的處理① 猜測(cè)法——猜選 I + 1和 p 中的一個(gè)分支繼續(xù)流入流水線(xiàn)；為了猜錯(cuò)時(shí)使猜測(cè)流入流水線(xiàn)的那些指令都作廢其部分解釋?zhuān)謴?fù)成解釋之前的原始現(xiàn)場(chǎng)，我們使用后援寄存器—讓流入流水線(xiàn)的指令，其所有可能被破壞的原始內(nèi)容都保存在后援寄存器中，一旦猜錯(cuò)了，只需很少的時(shí)間，用后援寄存器的內(nèi)容來(lái)恢復(fù)就可以了。為了猜錯(cuò)后能盡快轉(zhuǎn)入 p 分支流水，可設(shè)置轉(zhuǎn)移目標(biāo)指令緩沖器，以便在猜測(cè)流水的同時(shí)就預(yù)取 p、p+1 等指令，

22、并將它們存入轉(zhuǎn)移目標(biāo)指令緩沖器中。這樣，一旦猜錯(cuò)時(shí)，就不必再去訪(fǎng)問(wèn)存儲(chǔ)器，只需直接從轉(zhuǎn)移目標(biāo)指令緩沖器中取出指令即可，以減少此時(shí)流水線(xiàn)的空等時(shí)間。,② 加快條件轉(zhuǎn)移時(shí)條件碼的生成 包括在單條指令內(nèi)部條件碼的提前形成和在程序段內(nèi)所用分支條件碼的提前形成。提前知道程序?qū)⒘飨蚰膫€(gè)分支，就可以減少猜錯(cuò)時(shí)，流水線(xiàn)效率的過(guò)分下降。也可以采用“延遲轉(zhuǎn)移”技術(shù)。依靠編譯技術(shù)，將轉(zhuǎn)移指令與其前面不相關(guān)的一條或多條指令對(duì)換一下位置，使成功轉(zhuǎn)

23、移總是延遲到這一條或多條指令之后進(jìn)行，就可以使轉(zhuǎn)移造成的流水線(xiàn)性能的損失降低到最小。③ 加快對(duì)短循環(huán)程序的處理 如果發(fā)現(xiàn)是一個(gè)短循環(huán)程序，就可將整個(gè)循環(huán)程序中的各條指令一次性全部裝入指令緩沖器中，并暫時(shí)停止指令的預(yù)取操作，以減少不必要的訪(fǎng)存次數(shù)。同時(shí)，讓流水線(xiàn)的循環(huán)出口恒猜選循環(huán)分支。,⑵、流水線(xiàn)局部性相關(guān)的處理由于局部性相關(guān)都是因?yàn)槌霈F(xiàn)“先寫(xiě)后讀”引起的，因此，與重疊方式類(lèi)似，可以采用推后對(duì)相關(guān)單元的讀操作和設(shè)置相

24、關(guān)專(zhuān)用通路的辦法來(lái)解決。為了使流水線(xiàn)發(fā)生局部相關(guān)的指令在某個(gè)功能段處于停止等待時(shí)，后續(xù)不相關(guān)的指令可以越過(guò)它繼續(xù)向前流動(dòng)，以保證流水線(xiàn)仍有較高的吞吐率和效率，可以采用異步流動(dòng)控制方式——流入流水線(xiàn)的指令順序可以與流入流水線(xiàn)之前的指令順序不同流水線(xiàn)采用異步流動(dòng)方式后，會(huì)產(chǎn)生“寫(xiě)—寫(xiě)”相關(guān)和“先讀后寫(xiě)”相關(guān)。“寫(xiě)—寫(xiě)”相關(guān)：指令之間對(duì)同一寄存器或存儲(chǔ)單元，要求在先的指令應(yīng)先寫(xiě)好，在后的指令才能寫(xiě)入的關(guān)聯(lián)?！跋茸x后寫(xiě)”相關(guān)：指令之間要

25、求對(duì)同一寄存器或存儲(chǔ)單元在先的指令應(yīng)先讀出，在后的指令才能寫(xiě)入的關(guān)聯(lián)。流水機(jī)器處理局部性相關(guān)的一種典型的基本結(jié)構(gòu)是IBM 360/91。,,,空間,時(shí)間,6、流水機(jī)器的中斷處理 中斷和轉(zhuǎn)移一樣，都會(huì)使流水線(xiàn)斷流。由于發(fā)生中斷的概率遠(yuǎn)比發(fā)生條件轉(zhuǎn)移的概率低，所以流水機(jī)器處理中斷的關(guān)鍵不在于如何縮短因中斷引起流水線(xiàn)斷流的時(shí)間，而是看如何保存好中斷時(shí)的斷點(diǎn)及中斷現(xiàn)場(chǎng)，以便在中斷返回后，能使程序從斷點(diǎn)處恢復(fù)正常工作。

26、 “不精確斷點(diǎn)”法——不管第I 條指令在哪一段發(fā)出中斷請(qǐng)求，讓未流入流水線(xiàn)的指令不再流入，而已進(jìn)入流水線(xiàn)的指令繼續(xù)流完，然后再轉(zhuǎn)去執(zhí)行中斷處理程序，這種不精確的斷點(diǎn)對(duì)程序的設(shè)計(jì)和排錯(cuò)很不利。 IBM 360/91 “精確斷點(diǎn)”法——不論指令I(lǐng) 是在流水線(xiàn)中的哪一段響應(yīng)中斷，給中斷處理程序的現(xiàn)場(chǎng)全都是對(duì)應(yīng)I 的，I之后流入流水線(xiàn)的指令的原有現(xiàn)場(chǎng)都能恢復(fù)?！熬_斷點(diǎn)”法需要設(shè)置大量的后援寄存器，以保證流水線(xiàn)內(nèi)各條指令

27、的原有現(xiàn)場(chǎng)都能保存和恢復(fù)。 Amdahl 470/V6,,,,,,,,D=A*(B+C),,,三、向量的流水處理和向量處理機(jī),橫向（水平）處理方式：逐個(gè)求結(jié)果向量的各個(gè)元素；縱向（垂直）處理方式：將兩個(gè)向量先全部運(yùn)算完，得到一個(gè)中間結(jié)果向量后，再用此中間結(jié)果向量與其他向量運(yùn)算。,,,7+N+7+N+8+N=22+3N,訪(fǎng)存取A送入V3寄存器組,V0(B)+V1(C) 送入V2,V2*V3 送入V4,,,7+N+8+

28、N=15+2N,訪(fǎng)存取A送入V3寄存器組,V0(B)+V1(C) 送入V2,V2*V3 送入V4,,,8+8+N=16+N,訪(fǎng)存取A送入V3寄存器組,V0(B)+V1(C) 送入V2,V2*V3 送入V4,在向量處理機(jī)上，每條向量指令的內(nèi)部都是流水的；鄰近多條向量指令之間如果既無(wú)流水線(xiàn)功能部件的使用沖突，也無(wú)向量寄存器組Vi的使用沖突，則這些向量指令都可以同時(shí)并行流水。如果相鄰的多條向量指令之間無(wú)功能部件使用沖突，只有向量寄

29、存器組Vi的先寫(xiě)后讀相關(guān)，可以通過(guò)鏈接，實(shí)現(xiàn)指令之間大部分時(shí)間并行流水；鏈接：將前面指令的結(jié)果向量直接鏈入后續(xù)指令所用的流水線(xiàn)，使多個(gè)流水線(xiàn)功能部件鏈接，構(gòu)成一條大的流水線(xiàn)，從而使處理機(jī)有更高的性能。如果后續(xù)指令的兩個(gè)源向量寄存器組恰好是先行兩條指令的結(jié)果寄存器組，只要前面這兩條指令能設(shè)法調(diào)整到同一時(shí)鐘周期得到一對(duì)分量時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)鏈接。如果兩條向量指令的向量長(zhǎng)度不等，則不能鏈接。,四、指令級(jí)高度并行的超級(jí)處理機(jī),1、超標(biāo)量(Supe

30、rscalar)處理機(jī)：采用設(shè)置m條指令流水線(xiàn)同時(shí)并行，來(lái)實(shí)現(xiàn)度為m的。它是靠編譯時(shí)，由編譯程序來(lái)優(yōu)化編排指令的執(zhí)行順序，將可并行的指令搭配成組，硬件不調(diào)整所執(zhí)行指令的順序，以利于實(shí)現(xiàn)。2、超流水線(xiàn)(Superpipelining)處理機(jī)：采用多相的高頻時(shí)鐘。一臺(tái)度為m的超流水線(xiàn)處理機(jī)的時(shí)鐘只是基本機(jī)器周期的1/m。 3、超長(zhǎng)指令字(VLIW)處理機(jī)：將水平型微碼和超標(biāo)量處理相結(jié)合。在編譯時(shí)，將多個(gè)能并行執(zhí)行的不相關(guān)或無(wú)關(guān)的操

31、作組合在一起，形成一條有多個(gè)操作碼字段的超長(zhǎng)指令字。運(yùn)行時(shí)，直接控制機(jī)器中多個(gè)相互獨(dú)立的功能部件并行操作，來(lái)實(shí)現(xiàn)同時(shí)執(zhí)行多條指令。,取指,分析,執(zhí)行,常規(guī)標(biāo)量流水處理機(jī),,,取指,,,,分析,執(zhí)行,超標(biāo)量處理機(jī)（m = 4）,,,,,,取指,分析,執(zhí)行,5.75,,超流水線(xiàn)處理機(jī)（m = 4）,,取指,分析,執(zhí)行,,超長(zhǎng)指令字處理機(jī)（m = 4）,復(fù)習(xí)指導(dǎo)：第五章 重疊、流水和向量處理機(jī)概述：本章著重講述在計(jì)算機(jī)組成設(shè)計(jì)中，如

32、何通過(guò)采用重疊和流水等控制方式來(lái)提高解釋機(jī)器語(yǔ)言程序的速度。在此基礎(chǔ)上，講述向量的流水處理方式、向量流水機(jī)的結(jié)構(gòu)。結(jié)合CRAY-1向量流水處理機(jī)，介紹通過(guò)讓向量指令之間并行或鏈接執(zhí)行來(lái)進(jìn)一步提高流水機(jī)的性能。最后簡(jiǎn)要介紹在指令級(jí)上發(fā)展高度并行的超標(biāo)量處理機(jī)、超長(zhǎng)指令字處理機(jī)和超流水線(xiàn)處理機(jī)的工作原理。,基本要求：1、領(lǐng)會(huì)重疊方式的工作原理——采用重疊工作方式時(shí)，對(duì)計(jì)算機(jī)在組成設(shè)計(jì)上的要求；“一次重疊”方式的定義及好處；掌握在“一次重疊

33、”方式工作的機(jī)器上，對(duì)指令相關(guān)、主存操作數(shù)相關(guān)、通用寄存器組的數(shù)相關(guān)、通用寄存器組的變（基）址值相關(guān)等的定義和各自的處理辦法；領(lǐng)會(huì)設(shè)置相關(guān)專(zhuān)用通路的目的及其適用的場(chǎng)合；在給出指令之間各種微操作時(shí)間重疊關(guān)系的要求之后，能夠熟練地計(jì)算出連續(xù)執(zhí)行完N條指令需要花費(fèi)的全部時(shí)間。2、領(lǐng)會(huì)流水方式的工作原理——了解從不同的角度對(duì)流水線(xiàn)的分類(lèi)和定義；熟練掌握有關(guān)流水線(xiàn)時(shí)空?qǐng)D的畫(huà)法；在給出的流水線(xiàn)上，能夠計(jì)算出流水的最大吞吐率，及具體題目所能達(dá)到的實(shí)

34、際吞吐率、效率和加速比；掌握為消除流水線(xiàn)速度性能瓶頸可采用的兩種不同途徑的時(shí)空?qǐng)D的畫(huà)法、并能計(jì)算出相應(yīng)吞吐率和效率；在雙功能靜態(tài)流水線(xiàn)上，根據(jù)給出的具體計(jì)算式，能調(diào)整其操作的流入順序，在滿(mǎn)足盡可能高的性能條件下，畫(huà)出執(zhí)行此計(jì)算式相應(yīng)的流水時(shí)空?qǐng)D。,3、掌握流水機(jī)器對(duì)局部性相關(guān)的處理方法——熟悉流水線(xiàn)在異步流動(dòng)時(shí)，指令之間發(fā)生先寫(xiě)后讀、先讀后寫(xiě)、寫(xiě)—寫(xiě)相關(guān)的定義。以IBM360/91為例，能綜述出在標(biāo)量流水機(jī)上，處理局部性相關(guān)和全局性相關(guān)

35、時(shí)，為提高吞吐率和效率可采用的各種方法。4、熟練掌握在單功能非線(xiàn)性流水線(xiàn)上所采用的任務(wù)流入流水線(xiàn)的最佳調(diào)度方案，求出此時(shí)的極限吞吐率。按最佳調(diào)度方案實(shí)際調(diào)入流水線(xiàn)若干個(gè)任務(wù)后，能畫(huà)出在此情況下流水線(xiàn)工作的時(shí)空?qǐng)D，并計(jì)算出實(shí)際的吞吐率和效率。5、了解向量有哪三種處理方式，哪些處理方式適合于流水處理。在CRAY-1向量流水處理機(jī)上，給出若干條向量指令后，能夠分析出這些向量指令之間，哪些可以并行；哪些雖然不能完全并行，但可以鏈接；哪些只能

36、串行；能夠計(jì)算出這些向量指令全部執(zhí)行所需要的最少拍數(shù)。6、了解超標(biāo)量、超長(zhǎng)指令字、超流水線(xiàn)三種處理機(jī)在指令級(jí)上并行的工作原理。給出指令數(shù)和并行的度數(shù)，能畫(huà)出各自的工作時(shí)空?qǐng)D，并能計(jì)算出所需要的時(shí)間以及各自相對(duì)于在度為1的常規(guī)標(biāo)量流水處理機(jī)上的加速比。,重點(diǎn)：1、“一次重疊”方式中，各種相關(guān)的處理；2、流水線(xiàn)的時(shí)空?qǐng)D和性能分析；3、流水的局部性相關(guān)的處理；全局性相關(guān)的處理和對(duì)中斷的處理；4、單功能非線(xiàn)性流水線(xiàn)的調(diào)度；5、向量處