体系结构第3章 第1讲.pptVIP

* 注意我们的定义 是对执行方式的一种描述。 时空图的作用 * 对流水线性质的挖掘。 最后两条最重要。 流水也是一种并行， 但和“并发”不一样，是处于“不同阶段”任务的并行。 * 注意多功能流水线的硬件额外代价。 * 多功能流水线才有这样的划分。 * 流水粒度。 * 带反馈的：复杂流水线，调度问题与反馈模式非常相关。 * 注意纵坐标。 * 这条流水线可重用的段不多。 * 在一种以上功能并存在流水线中的时候，硬件要做哪些控制？ * 粒度更大的流水线。 * 如果应用每次的执行反馈模式都不同，调度会更复杂。 * 计算机体系结构 * 计算机体系结构 * 国家精品资源共享课程：计算机体系结构 第三章：流水线技术 国防科技大学计算机学院 主讲人： 教授 第三章 流水线技术 3.1 流水线基本概念 3.2 MIPS基本流水线 3.3 流水线中的相关 3.4 实例分析：MIPS R4000 3.5 向量处理机 本章内容 流水线基本概念 流水线分类 3.1 流水线基本概念 3.1.1 流水线基本概念 1. 产品生产流水线 (1) 一个问题 假设某产品的生产需要4道工序，该产品生产车间以前只有1个工人，1套生产该产品的机器。该工人工作8小时，可以生产120件（即每4分钟生产1件）。 要将该产品日产量提高到480件，如何能实现目标？ (2) 两种解决方案 方案一：增加3名工人、3套设备。 方案二：产品生产采用流水线方式，分为4道工序；增加3名工人，每人负责一道工序。 (3) 两种方案的工作过程对比 两种方案中，单件产品的生产时间均不变。 但在稳定情况下， 方案一：每4分钟，4件产品同时进入流水线，4件成品同时离开流水线，需要增加3套设备。 方案二：每分钟，1件产品进入流水线，1件成品离开流水线，不需要增加任何设备。 (4) 方案二的主要特点 每件产品还是要经过4道工序处理，单件产品的加工时间并没有改变，但它将各个工人的操作时间重叠在一起，使得每件产品的产出时间从表面上看是从原来的4分钟缩减到1分钟，提高了产品的产出率。 2.计算机中的流水线 指令流水线 功能部件流水线 3.流水技术 将一重复的时序过程分解为若干子过程，每个子过程都可有效地在其专用功能段上与其它子过程同时执行，这种技术称为流水技术。 4.时-空图 从时间和空间两个方面描述流水线的工作过程，横坐标表示时间，纵坐标表示各流水段。 5.流水线的特点 流水过程由多个相关的子过程组成，这些子过程称为流水线的“级”或“段”。段的数目称为流水线的“深度”。 每个子过程由专用的功能段实现 各功能段的时间应基本相等，通常为1个时钟周期（1拍） 流水线需要经过一定的通过时间才能稳定。 流水技术适合于大量重复的时序过程。 1.单功能流水线和多功能流水线 按流水线所完成的功能分类 单功能流水线，是指只能完成一种固定功能的流水线。 例如：功能单元流水线 多功能流水线，是指各段可以进行不同的连接，从而完成不同的功能。 例如：TI ASC的多功能流水线 3.1.2 流水线的分类 2.静态流水线和动态流水线 按同一时间内流水段的连接方式划分 静态流水线，是指在同一时间内，流水线的各段只能按同一种功能的连接方式工作。 例如：TI ASC的流水线 适合于处理一串相同的运算操作 动态流水线，是指在同一时间内，当某些段正在实现某种运算时，另一些段却在实现另一种运算。 图3.6 会使流水线的控制变得很复杂 3.部件级、处理机级及处理机间流水线 按流水的级别划分 部件级流水线，又叫运算操作流水线，是把处理机的算术逻辑部件分段，使得各种数据类型的操作能够进行流水。 处理机级流水线，又叫指令流水线，是把解释指令的过程按照流水方式处理。 处理机间流水线，又叫宏流水线，是由两个以上的处理机串行地对同一数据流进行处理，每个处理机完成一项任务。 4.标量流水处理机和向量流水处理机 按照数据表示来进行分类 标量流水处理机，是指处理机不具有向量数据表示，仅对标量数据进行流水处理。 例如IBM360/91，Amdahl 470V/6等 向量流水处理机，是指处理机具有向量数据表示，并通过向量指令对向量的各元素进行处理。 例如TI ASC、STAR-100、CYBER-205、CRAY-1、YH-1等 5.线性流水线和非线性流水线 按照是否有反馈回路来进行分类 线性流水线是指流水线的各段串行连接，没有反馈回路。 非线性流水线是指流水线中除有串行连接的通路外，还有反馈回路。 存在流水线调度问题。 确定什么时候向流水线引进新的输入，从而使新输入的数据和先前操作的反馈数据在流水线中不产生冲突，此即所谓流水线调度问题。 3.2 M