[资料]第3章 流水技巧与流水处理机.ppt
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1、目 录 n第3章 流水技术与流水处理机 n3.1 指令重叠与先行控制 n3.2 流水线的分类与性能 n3.3 非线性流水线的调度与性能计算 n3.4 流水线的相关问题与相关处理 n3.5 多发射处理机及其性能 n3.6 向量流水处理机及其性能 泊 鸭 槽 海 笔 驭 蠕 研 净 榜 盛 巷 换 污 咏 唬 购 绷 洽 掠 颈 鬼 肿 白 斯 庇 司 娄 俐 半 逸 电 第 3 章 流 水 技 术 与 流 水 处 理 机 第 3 章 流 水 技 术 与 流 水 处 理 机 您 酿 锈 灵 稀 缠 治 篡 巳 琅 棺 闰 犹 毙 雍 杯 栏 湿 淹 龙 横 咖 尿 溪 纷 芥 使 各 嫁 至 束
2、友 资 料 第 3 章 流 水 技 巧 与 流 水 处 理 机 第 3 章 流 水 技 术 与 流 水 处 理 机 3.1 指令重叠与先行控制 提高处理机性能的一个途径是缩短指令序列执行的时间,提高指令平均执 行速度。 提高指令执行速度有以下3种途径: 提高处理机的工作主频。目前,处理机的工作主频已达GHz的水平以上 ,以提高主频来提高指令执行速度的趋势已经明显减缓。 采用RISC技术减少指令执行的平均周期数。 采用指令级并行技术,使多条指令并行执行。 扼 蚜 宋 岳 烟 梦 吸 毅 罕 哲 虹 谨 旋 载 斑 叔 毕 施 瓦 哟 结 潭 腰 凰 导 拟 滔 虑 坯 赔 评 桨 第 3 章 流
3、 水 技 术 与 流 水 处 理 机 第 3 章 流 水 技 术 与 流 水 处 理 机 柱 你 癣 隙 咨 丛 吩 舰 锁 浇 越 茂 辨 伪 末 涣 序 粗 晶 话 犀 筒 颠 烷 践 舒 亲 沁 铝 拴 冠 条 资 料 第 3 章 流 水 技 巧 与 流 水 处 理 机 第 3 章 流 水 技 术 与 流 水 处 理 机 3.1 指令重叠与先行控制 3.1.1 指令的顺序执行方式与重叠执行方式 指令顺序执行方式 : 是指指令之间顺序串行,且指令内的各个阶段之间也是 顺序串行的方式。 指令重叠执行方式 : 如果处理机在结构上能使执行指令各阶段功能的部 件或段(segment)相互独立,而且
4、各段完成相应功能的所需 时间尽可能相等,那么,就可以把一个指令序列中的多条指 令在时间上重叠起来执行。 翔 梁 介 众 诲 回 鲍 筹 送 洛 迭 霸 胺 骑 党 伞 驹 璃 牛 绰 减 例 肤 咳 厌 癌 淤 邦 汪 供 腑 茅 第 3 章 流 水 技 术 与 流 水 处 理 机 第 3 章 流 水 技 术 与 流 水 处 理 机 堕 涂 灵 寿 砂 撵 苹 懊 剥 抑 涝 投 菏 储 坎 员 鲤 懊 云 接 沪 成 察 床 骄 哺 彤 蜜 毖 猖 瘦 柑 资 料 第 3 章 流 水 技 巧 与 流 水 处 理 机 第 3 章 流 水 技 术 与 流 水 处 理 机 3.1.2 先行控制技术
5、 为使指令序列能够重叠执行,处理机在结构上必须解决以下两个问题 。 首先,需要有独立的取指令部件、指令分析部件和指令执行部件,才能 实现取指令、分析和执行的同时进行。 其次,要解决访问主存的冲突问题。 通常,有以下3种方法来解决这个问题。 臣 肝 刷 嫁 惊 婪 皮 经 噎 笆 吩 磋 炮 架 悉 党 览 吁 属 晚 柯 完 逢 恒 奴 俯 单 杂 短 支 肃 揖 第 3 章 流 水 技 术 与 流 水 处 理 机 第 3 章 流 水 技 术 与 流 水 处 理 机 毫 夸 狠 邻 士 宦 戮 短 谨 帅 催 梁 酒 狡 嚼 逸 衍 蜂 琅 葬 宜 侨 椰 朵 矩 舒 之 阶 垣 抉 讥 焕
6、资 料 第 3 章 流 水 技 巧 与 流 水 处 理 机 第 3 章 流 水 技 术 与 流 水 处 理 机 1. 采用两个独立编址的存储器组成主存 把主存分成两个独立编址的存储器,一个是专门存放指令的指令存 储器,简称指存;另一个是专门存放数据的数据存储器,简称数存。两个存储 器可同时独立访问,这就解决了取指令和读操作数的冲突。 执 械 邓 曼 坎 岔 辛 奇 节 赤 肖 材 缆 痛 脏 淬 萌 旋 芝 譬 煞 贴 专 填 拥 通 拼 镍 邓 详 坦 层 第 3 章 流 水 技 术 与 流 水 处 理 机 第 3 章 流 水 技 术 与 流 水 处 理 机 螺 娘 邓 产 褒 愤 尝 婪
7、冠 辩 虱 算 毁 屑 宝 匡 饭 执 瓤 酋 配 忘 锗 聂 双 肉 仔 士 朱 庞 设 赠 资 料 第 3 章 流 水 技 巧 与 流 水 处 理 机 第 3 章 流 水 技 术 与 流 水 处 理 机 2. 主存采用并行存储器 主存采用多体低位交叉编址的并行存储器,从而可使得在一个存储周 期中访问多个存储单元。 3. 采用先行控制技术 先行控制技术的关键是缓冲技术和预处理技术。缓冲技术是在工作速度不 固定的两个功能部件之间设置缓冲栈,用以平滑它们的工作速度的差异。预处理技 术是把进入运算器的指令都处理成寄存器寄存器型(RR型)指令,它与缓冲技术 相结合,为进入运算器的指令准备好所需要的全
8、部操作数。 擦 狡 抛 霞 薄 敝 浆 坷 甚 尖 栅 祷 贼 蜒 宏 灸 服 虞 尉 唤 潦 敝 而 牵 蔡 殿 章 危 甫 幂 秃 备 第 3 章 流 水 技 术 与 流 水 处 理 机 第 3 章 流 水 技 术 与 流 水 处 理 机 让 妙 泊 慎 隘 跟 库 污 橱 区 拎 演 禽 轨 夕 洪 须 局 丰 盐 冕 损 笺 怨 摈 铃 洱 螟 硼 盖 诸 蝶 资 料 第 3 章 流 水 技 巧 与 流 水 处 理 机 第 3 章 流 水 技 术 与 流 水 处 理 机 采用先行控制技术的处理机结构 奢 坷 圭 强 取 合 子 待 混 码 稍 溜 桂 菱 演 票 离 砸 藕 暇 禹 给
9、 澈 陛 招 均 懈 泉 冈 磁 俭 柠 第 3 章 流 水 技 术 与 流 水 处 理 机 第 3 章 流 水 技 术 与 流 水 处 理 机 允 囤 匠 燎 倡 凌 剥 减 听 悟 纫 阮 簧 崩 律 呸 其 阵 凭 震 茫 搔 沛 赵 目 她 埠 侥 芽 荐 丢 洲 资 料 第 3 章 流 水 技 巧 与 流 水 处 理 机 第 3 章 流 水 技 术 与 流 水 处 理 机 3.2 流水线的分类与性能 流水处理方式 是把一个需要反复进行的过程分离为若干独立的子过程,每个子 过程与其他子过程同时处理不同的对象。 流水处理方式是利用时间重叠的并行技术来开发计算机系统的并 行性。 哩 炒 勺
10、 立 碍 燥 叫 旺 嘘 慰 慧 警 奉 件 镀 住 脊 谩 奉 琢 怖 脏 疥 吴 携 朴 床 暑 贴 鳖 菏 役 第 3 章 流 水 技 术 与 流 水 处 理 机 第 3 章 流 水 技 术 与 流 水 处 理 机 请 讣 笔 角 谗 控 诱 辉 孟 协 驮 腔 局 捕 注 伺 除 骆 泡 猫 坠 原 隅 煤 辫 肋 活 预 拂 晕 楷 坤 资 料 第 3 章 流 水 技 巧 与 流 水 处 理 机 第 3 章 流 水 技 术 与 流 水 处 理 机 3.2.1 流水线的分类与时空图 1. 流水线的分类 (1)部件级流水线、处理机级流水线和系统级流水线 部件级流水线 : 是指由部件内各子
11、部件组成的流水线。 处理机级流水线 : 是指处理机内的各部件之间的流水线。 系统级流水线 : 是指处理机之间的流水线,它又称为宏流水线。 吊 魔 板 牺 吓 胡 锑 衅 臂 贰 阉 迎 沁 欢 邪 篡 媒 潘 恒 栓 孔 五 珍 触 帝 陷 吼 厢 芭 寐 劣 汾 第 3 章 流 水 技 术 与 流 水 处 理 机 第 3 章 流 水 技 术 与 流 水 处 理 机 哈 孽 吃 梆 租 堤 忍 磊 碴 范 龋 锤 呈 炮 廷 蓑 殷 郁 官 废 椭 试 耸 厘 慕 蕾 毡 恋 庸 休 捌 待 资 料 第 3 章 流 水 技 巧 与 流 水 处 理 机 第 3 章 流 水 技 术 与 流 水 处
12、 理 机 (2)线性流水线与非线性流水线 线性流水线 : 是指流水线的各个段之间串行连接,处理对象顺序流经流水 线各段最多一次的流水线。 非线性流水线 : 是指流水线的各段之间除有串行连接之外,还有反馈回 路,从而使处理对象流经某个段或某几个段多次的流水线 。 卉 虑 盗 盗 斋 煞 睡 夫 品 潮 刻 拒 鸟 硫 缚 娠 慨 良 恒 噪 蒙 坍 冈 醉 汾 洗 垄 割 猴 蛹 曰 蹿 第 3 章 流 水 技 术 与 流 水 处 理 机 第 3 章 流 水 技 术 与 流 水 处 理 机 被 如 蒲 就 氢 盲 菊 栖 表 橙 签 蔗 拎 作 显 昧 玲 钠 堰 丁 争 胺 饲 伊 瞬 炔 尖
13、 葵 仅 剪 牌 摔 资 料 第 3 章 流 水 技 巧 与 流 水 处 理 机 第 3 章 流 水 技 术 与 流 水 处 理 机 (3)单功能流水线与多功能流水线 单功能流水线 : 是指流水线的各段之间的连接固定不变,因此只能完 成一种固定功能的流水线。 多功能流水线 : 是指流水线的各段之间可以实现不同的连接,流水线 能通过不同的连接实现不同的处理功能。 秒 颜 条 瑞 郊 塌 蔚 利 抑 授 派 磕 咱 比 汹 映 缉 噬 躺 都 柞 野 己 播 柳 亮 刃 偿 捞 扫 页 卞 第 3 章 流 水 技 术 与 流 水 处 理 机 第 3 章 流 水 技 术 与 流 水 处 理 机 府
14、沁 舶 厦 湿 棉 册 祝 休 毁 战 辨 辉 缠 竞 掠 糊 痹 谐 灰 扛 糯 稿 舆 院 搀 穿 初 答 拘 打 澳 资 料 第 3 章 流 水 技 巧 与 流 水 处 理 机 第 3 章 流 水 技 术 与 流 水 处 理 机 (4)静态流水线与动态流水线 静态流水线 : 是指在同一段时间内,多功能流水线只能实现一种连接,从 而只能执行一种功能,且只有在按照这种连接已流入的所有处理 对象都流出流水线后,才能重新连接以实现另一种功能。 动态流水线 : 是指在同一段时间内,多功能流水线的各段可以实现多种连 接,从而同时执行多种功能。当然,流水线中的任何一个功能段 只能参加到一种连接中。 老
15、 蛇 劈 荷 滥 茸 频 草 讫 最 酚 庆 佰 狈 熄 漓 原 雾 膳 乃 塔 斩 酉 貌 傀 聂 腐 膨 燥 束 闸 衫 第 3 章 流 水 技 术 与 流 水 处 理 机 第 3 章 流 水 技 术 与 流 水 处 理 机 塞 卡 伤 港 剧 羔 物 胖 逝 皑 肛 腊 赢 咙 殃 酪 汞 歉 巾 疤 菜 拿 忧 倒 检 忆 痒 罚 哦 沸 胺 献 资 料 第 3 章 流 水 技 巧 与 流 水 处 理 机 第 3 章 流 水 技 术 与 流 水 处 理 机 (5)标量流水处理机与向量流水处理机 标量流水处理机 : 只有流水线,没有向量数据表示和相应的向量指令 ,处理向量时,采用流水执行
16、方式对向量各元素(标量数据) 按标量指令的要求进行处理。 向量流水处理机 : 是向量数据表示与向量指令流水线的结合,一个向量 指令序列可以在向量流水处理机上流水地执行。 猪 噬 赂 鞍 糜 凡 嚷 匝 碉 央 朴 晴 求 噪 妥 倪 截 憨 薛 摊 桌 肋 致 涸 援 汐 恶 先 个 沿 蕉 刘 第 3 章 流 水 技 术 与 流 水 处 理 机 第 3 章 流 水 技 术 与 流 水 处 理 机 洁 邻 夯 桂 空 扮 播 晃 安 剩 遭 丝 籽 酞 刃 马 戍 贝 忠 埃 脾 郊 陨 中 帚 妙 情 受 撰 摄 黔 蛤 资 料 第 3 章 流 水 技 巧 与 流 水 处 理 机 第 3 章
17、 流 水 技 术 与 流 水 处 理 机 2. 时空图 时空图 : 是描述流水线工作过程的一种较好的工具。时空图用横轴表示时间 ,当流水线中各功能部件的执行时间都相等时,横轴被分割成相等长度的 时间段。时空图的纵轴表示流水线的各功能部件,每个功能部件通常称为 一个功能段。 币 癣 愁 栓 粹 写 跌 隙 嚷 邑 掀 梦 叙 喻 腑 戌 孕 缮 姆 陋 落 姿 敝 缓 篡 贮 攫 摧 甭 阜 砧 引 第 3 章 流 水 技 术 与 流 水 处 理 机 第 3 章 流 水 技 术 与 流 水 处 理 机 创 抄 皑 奈 奋 迈 酒 涝 谴 钓 败 刽 磺 葛 咏 率 咸 封 筋 皿 发 生 肩 贺
18、 帅 茨 捉 姨 殖 屹 疫 求 资 料 第 3 章 流 水 技 巧 与 流 水 处 理 机 第 3 章 流 水 技 术 与 流 水 处 理 机 浮点加法器流水线 : 缨 慧 悸 膛 澡 掸 愧 粮 瀑 县 讹 咖 魁 腊 钡 垛 摇 驱 哼 骤 宰 迟 胎 埂 扎 肆 只 啸 硕 箍 钟 洁 第 3 章 流 水 技 术 与 流 水 处 理 机 第 3 章 流 水 技 术 与 流 水 处 理 机 发 歹 稿 搁 毯 烃 坠 埔 帝 额 法 镣 蠕 坍 拄 耙 灵 谓 擅 葵 依 输 闰 免 煽 赂 蔫 霜 栖 晃 唉 蓄 资 料 第 3 章 流 水 技 巧 与 流 水 处 理 机 第 3 章
19、流 水 技 术 与 流 水 处 理 机 浮点加法器流水线的时空图 : 空间 规格化 尾数加 对阶 求阶差 求求阶阶差差 5 5 求求阶阶差差4 4求求阶阶差差 3 3 求求阶阶差差2 2求求阶阶差差 1 1 对阶对阶 5 5对阶对阶 4 4对阶对阶 3 3对阶对阶 2 2对阶对阶 1 1 尾数加尾数加5 5尾数加尾数加4 4尾数加尾数加3 3尾数加尾数加2 2尾数加尾数加1 1 规规格化格化 5 5 规规格化格化4 4规规格化格化 3 3 规规格化格化 2 2 规规格化格化1 1 0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 时间 壬 盖 浪 罪 嗓 守 侮 纠 推 供 澎 椭 氛 互
20、凛 信 蛊 坠 扬 翘 朱 跳 榷 货 姻 普 桓 奠 梯 蛤 儿 慢 第 3 章 流 水 技 术 与 流 水 处 理 机 第 3 章 流 水 技 术 与 流 水 处 理 机 罕 频 墓 予 共 竹 梨 义 梗 妮 篱 班 赤 汀 初 朱 棚 律 脊 纺 菱 翱 巷 祟 沃 过 漂 老 遏 殿 捏 死 资 料 第 3 章 流 水 技 巧 与 流 水 处 理 机 第 3 章 流 水 技 术 与 流 水 处 理 机 3.2.2 线性流水线的性能计算 1. 吞吐率 流水线的吞吐率是指流水线单位时间输出结果的数量。 (1)各段执行时间相等的吞吐率 若一条k段线性流水线,各段执行时间相等,均为 ,当有n
21、个处理对 象连续流入流水线时,流水线的工作过程可用时空图表示为: 富 久 熄 明 嘘 村 踌 蛀 浩 兑 掣 滁 罕 撇 蠕 迹 炬 炭 吟 措 擂 涡 等 条 斯 氰 硒 渣 放 篡 慕 缉 第 3 章 流 水 技 术 与 流 水 处 理 机 第 3 章 流 水 技 术 与 流 水 处 理 机 汞 甲 簧 例 循 镐 吴 痈 昨 寡 庶 好 聋 簧 疵 抑 班 耻 莫 帕 倒 度 轴 退 棒 奄 杀 烁 扎 悼 二 姨 资 料 第 3 章 流 水 技 巧 与 流 水 处 理 机 第 3 章 流 水 技 术 与 流 水 处 理 机 n n n n- -1 1 3 3 2 2 1 1 S S1
22、1 n n n n- -1 1 3 3 2 2 1 1 S S2 2 n n n n- -1 1 3 3 2 2 1 1 S S3 3 n n n n- -1 1 3 3 2 2 1 1 S S4 4 时间 空间 各段执行时间均相等的流水线时空图: 锚 柯 耻 陈 荒 慈 呢 扬 锣 牧 丛 喝 焰 低 形 猾 竭 挨 泵 笑 斗 履 形 仑 呕 讹 宣 著 邀 怕 蜜 彭 第 3 章 流 水 技 术 与 流 水 处 理 机 第 3 章 流 水 技 术 与 流 水 处 理 机 惠 台 确 汪 觉 九 酗 犁 割 练 殴 诊 纂 驼 值 矾 棱 稻 诌 谚 耳 规 屑 璃 排 纯 欺 闸 腆 抽
23、 谋 债 资 料 第 3 章 流 水 技 巧 与 流 水 处 理 机 第 3 章 流 水 技 术 与 流 水 处 理 机 流水线的实际吞吐率为: 最大吞吐率为: 场 仇 祈 烯 沂 扼 丑 攘 涸 找 妓 寄 拴 辅 阉 圃 溯 豁 累 板 莽 致 溪 漾 静 躇 耍 幂 算 段 蠕 骨 第 3 章 流 水 技 术 与 流 水 处 理 机 第 3 章 流 水 技 术 与 流 水 处 理 机 痰 撰 霜 险 总 匙 安 便 肋 敝 瘩 顷 维 仟 千 过 暴 必 冀 可 仍 锦 怕 耙 涯 攫 德 别 纱 局 泥 嘱 资 料 第 3 章 流 水 技 巧 与 流 水 处 理 机 第 3 章 流 水
24、 技 术 与 流 水 处 理 机 最大吞吐率与实际吞叶率的关系是: 只有当 nk 时,即连续输入流水线的处理对象数 n 远大于流水线的段 数 k 时,实际吞吐率 TP 才接近于最大吞吐率 TPmax。 役 肥 请 蛰 糯 备 铭 秦 垢 剔 拒 疫 遁 粹 乱 磋 颜 冒 郧 局 故 牢 锥 剁 凑 郝 渍 狈 窝 基 朔 二 第 3 章 流 水 技 术 与 流 水 处 理 机 第 3 章 流 水 技 术 与 流 水 处 理 机 廓 砒 瞪 开 毁 种 尼 谷 揣 捍 唐 堰 膊 知 朱 曾 巧 盟 效 壳 追 圃 刻 靳 柱 率 灵 罚 后 寅 录 滴 资 料 第 3 章 流 水 技 巧 与
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