计算机组成chap07_2概念.pptx

计算机组成与体系结构第7章流水线技术与指令级并行27.5指令流水线的性能提高结构相关数据相关控制相关7.6指令级并行概念7.7提高指令级并行的技术乱序执行、寄存器重命名推测执行7.8多发射处理器超标量处理器超长指令字处理器7.9指令级并行的限制计算机组成与体系结构第7章流水线技术与指令级并行7.5指令流水线的性能提高47.5.1流水线的基本性能问题限制指令流水线性能提高的因素：流水线的深度受限于流水线的延迟、流水线段的时间不均衡和流水线的额外开销。指令执行时可能存在的相关（dependence）或“冒险(hazard)”问题。相关：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指定的时钟周期开始执行。相关或冒险有3类：结构（structural）相关：资源冲突数据（data）相关：一条指令需要用到前面某条指令的结果控制（control）相关：分支等转移类指令/其他能够改变PC值的指令全局性相关局部性相关57.5.1流水线的基本性能问题有停顿的流水线的CPI为：CPI=理想流水线CPI＋(结构相关停顿+数据相关停顿+控制相关停顿)/指令数有停顿的流水线的加速比为：消除相关、减少停顿是提高已有流水线性能最重要的手段。67.5.2结构相关有两种情形会导致结构相关：部分功能单元没有充分流水。解决办法：将流水线设计的更合理。资源冲突（resourceconflicts）：当两个以上流水线段需要同时使用同一个硬件资源时，发生冲突。解决方法：增加资源副本：存储器冲突：哈佛结构两个ALU：取指令－地址加法器改变资源以便它们能并发的使用。不相关的数据尽量使用不同的寄存器寄存器重命名通过延迟（或暂停）流水线的冲突段或在冲突段插入流水线气泡（气泡在流水线中只占资源不做实际操作），使各段“轮流”使用资源。77.5.3数据相关指令在流水线中的重叠执行有可能改变指令读/写操作数的顺序。当一条指令的结果还未有效生成，该结果就被作为后续指令的操作数时，数据相关出现。87.5.3数据相关相关类型：先写后读（ReadAfterWrite）先读后写（WriteAfterRead）写－写（WriteAfterWrite）【例】4级指令流水线，各级分别为取指IF、读数RD、执行EX和写结果WB。简单指令（第1、2、4、6条指令）在EX1段执行，需1个时钟周期；复杂指令（第3、5条指令）在EX2段执行，需3个时钟周期。异步流水线带来的问题。97.5.3数据相关指令12345678910相关类型1.R1+R2→R0IFRDEX1WBRAW2.R0-R3→R4IFRDEX1WB3.R0→10H(R5)IFRDEX2-1EX2-2EX2-3WBWAR4.R6→R0IFRDEX1WB5.R1×R2→R0IFRDEX2-1EX2-2EX2-3WBWAW6.R1+R2→R0IFRDEXWB相关造成指令2、3和6的结果错误。图7.21典型的数据相关类型107.5.3数据相关解决办法：采用直通（forwarding）技术（相关直接通路）将运算结果经相关直接通路直接送入所需部件。增加专用硬件（推后法）增加流水线互锁（pipelineinterlock）硬件。互锁硬件先要检测流水线中指令的数据相关性，当互锁硬件发现数据相关时，使流水线工作停顿下来，直到相关消失为止。利用编译器流水线调度/指令调度：编译器可以对指令重新排序或插入空操作指令，使得加载任何冲突数据的操作被延迟，但对程序逻辑或输出不受影响。117.5.3数据相关解决办法：采用直通（forwarding）技术（相关直接通路）图7.22采用直通技术的流水线IMRDMRALU注：虚线为直通专用通路，IM为指令储存器，R为寄存器组，ALU为运算器，DM为数据储存器指令储存器寄存器组寄存器组数据储存器127.5.3数据相关解决办法：采用直通（forwarding）技术（相关直接通路）k:R0←(R1)k+1:……k+2:R2←(R0)+(R3)k+3:……k+4:……k+5:…………S1S2S3S4S5S6寄存器R0输入输出读写k+5k+3k+3k+3k+3k+4S1k+4k+3k+2k+1k正常流动功能段titi+1ti+2ti+3ti+4k+2k+1kk-1k-2S2S3S4S5S6k+2k+2k+2k+3k+1kk-1k+1kk+1k+2空闲空闲空闲空闲空闲空闲空闲空闲空闲时钟周期t功能段S137.5.3数据相关解决办法：采用直通（forwarding）技术（相关直接通路）k:R0←(R1)k+1:……k+2:R2←(R0)+(R3)k+3:……k+4:……k+5:…………S1S2S3S4S5S6寄存器R0输入输出相关专用通路读写147.5.3数据相关解决办法：采用直通（forwarding）技术（相关直接通