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1、第三部分，流水线技术,3.1 流水线的基本概念 3.2 DLX 的基本流水线 3.3 流水线中的相关 3.4 向量处理机,3.1 流水线的基本概念 3.1.1 基本概念 3.1.2 流水线的分类,3.1 流水线的基本概念,每当谈起流水线，人们就可能会将它与生产车间的产品生产流水线联系起来。的确，计算机技术中的流水线概念正是由此得来的。为了对计算机技术中的流水线概念有明确的认识，下面我们首先通过一个例子来看看产品生产流水线的作用。,3.1.1 基本概念 A 产品流水线 B 指令流水线 C 浮点加法流水线 D 时-空图 E 流水技术及其特点,3.1 流水线的基本概念,3.1.1 基本概念 A 产品
2、流水线 A.1 两种方案及工作过程对比 A.2 流水线过程的抽象描述及其特点 B 指令流水线 C 浮点加法流水线 D 时-空图 E 流水技术及其特点,3.1 流水线的基本概念,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，但是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看是从原来的4分钟缩减到1分钟，提高了产品的产出率,3.1.1 基本概念 A 产品流水线 A.1 两种方案及工作过程对比 A.2 流水线过程的抽象描述及其特点 B 指令流水线 C 浮点加法流水线 D 时-空图 E 流水技术及其特点,3.1 流水线的基本概念,可以将上述思想引入到计算机技术
3、中来。例如，把一条指令解释过程分解为分析和执行两个子过程，并让这两个子过程分别用独立的分析部件和执行部件来实现。 理想情况：速度提高一倍,3.1.1 基本概念 A 产品流水线 A.1 两种方案及工作过程对比 A.2 流水线过程的抽象描述及其特点 B 指令流水线 C 浮点加法流水线 D 时-空图 E 流水技术及其特点,3.1 流水线的基本概念,把浮点加法的全过程分解为求阶差、对阶、尾数相加、规格化四个子过程，并让它们分别用各自独立的部件来实现。 理想情况：速度提高三倍,3.1.1 基本概念 A 产品流水线 A.1 两种方案及工作过程对比 A.2 流水线过程的抽象描述及其特点 B 指令流水线 C
4、浮点加法流水线 D 时-空图 E 流水技术及其特点,3.1 流水线的基本概念,时空图从时间和空间两个方面描述了流水线的工作过程。时空图中，横坐标代表时间，纵坐标代表流水线的各个段。,3.1.1 基本概念 A 产品流水线 A.1 两种方案及工作过程对比 A.2 流水线过程的抽象描述及其特点 B 指令流水线 C 浮点加法流水线 D 时-空图 E 流水技术及其特点,3.1 流水线的基本概念,流水技术是指：将一个重复的时序过程分解成为若干个子过程，而每个子过程都可有效地在其专用功能段上与其他子过程同时执行。,3.1.1 基本概念 A 产品流水线 A.1 两种方案及工作过程对比 A.2 流水线过程的抽象
5、描述及其特点 B 指令流水线 C 浮点加法流水线 D 时-空图 E 流水技术及其特点,3.1 流水线的基本概念,3.1.1 基本概念 A 产品流水线 A.1 两种方案及工作过程对比 A.2 流水线过程的抽象描述及其特点 B 指令流水线 C 浮点加法流水线 D 时-空图 E 流水技术及其特点,流水技术的特点是指： (1) 流水过程由多个相联系的子过程组成，每个子过程称为流水线的级或段。段的数目称为流水线的深度。 (2) 每个子过程由专用的功能段实现； (3) 各个功能段所需时间应尽量相等，否则，时间长的功能段将成为流水线的瓶颈，会造成流水线的堵塞和断流。这个时间一般为一个时钟周期(拍)； (4)
6、 流水线需要有通过时间 (第一个任务流出结果所需的时间)，在此之后流水过程才进入稳定工作状态，每一个时钟周期(拍)流出一个结果；,3.1 流水线的基本概念 3.1.1 基本概念 3.1.2 流水线的分类,3.1 流水线的基本概念,只能完成一种固定功能的流水线。,3.1.2 流水线的分类 A 按照功能多少来分 A.1 单功能流水线 A.2 多功能流水线,3.1 流水线的基本概念,流水线的各段可以进行不同的连接，从而实现不同的功能。,3.1.2 流水线的分类 A 按照功能多少来分 A.1 单功能流水线 A.2 多功能流水线,有八个段可以进行不同的连接以实现不同的功能。 例如浮点运算和乘法运算,3.
7、1 流水线的基本概念,在同一时刻，流水线的各段只能按同一种功能的连接方式工作。 在静态流水线中，只有当输入是一串相同的运算操作时，流水的效率才能得到发挥。,3.1.2 流水线的分类 A 按照功能多少来分 B 按照同一时间段各段之间的连接方式来分 B.1 静态流水线 B.2 动态流水线,1,2,3,4,5,6,7,8,下述静态流水线共八段，按不同连接方法实现两种功能,假设流水线现在正在进行加法操作,1,2,3,4,5,6,7,8,下述静态流水线共八段，按不同连接方法实现两种功能,假设流水线现在正在进行加法操作,这时候来一个乘法操作任务，能否进入流水线？ 不能！,1,2,3,4,5,6,7,8,下
8、述静态流水线共八段，按不同连接方法实现两种功能,加法操作已经排空,必须等到加法操作排空后才能进入,3.1 流水线的基本概念,在同一时刻，流水线的各段可以按不同功能的连接方式工作。 这样就不是非得相同运算的一串操作才能流水处理。 优点：能提高流水线的效率。 缺点：会使流水线的控制变得复杂。,3.1.2 流水线的分类 A 按照功能多少来分 B 按照同一时间段各段之间的连接方式来分 B.1 静态流水线 B.2 动态流水线,1,2,3,4,5,6,7,8,下述动态流水线共八段，按不同连接方法实现两种功能,假设流水线现在正在进行加法操作,这时候来一个乘法操作任务，能否进入流水线？ 可以！,1,2,3,4
9、,5,6,7,8,下述动态流水线共八段，按不同连接方法实现两种功能,3.1 流水线的基本概念,它是把处理机的算术逻辑部件分段，以便为各种数据类型进行流水操作。,3.1.2 流水线的分类 A 按照功能多少来分 B 按照同一时间段各段之间的连接方式来分 C 按照流水线的级别来分 C.1 部件级流水线 C.2 处理机级流水线 C.3 处理机间流水级,3.1 流水线的基本概念,它是把指令的解释执行过程按照流水方式进行处理。 例如，DLX的基本流水线把指令解释过程分解为： 取指令、指令译码、执行、访存、写回。,3.1.2 流水线的分类 A 按照功能多少来分 B 按照同一时间段各段之间的连接方式来分 C
10、按照流水线的级别来分 C.1 部件级流水线 C.2 处理机级流水线 C.3 处理机间流水级,从指令存储器中取指令,对指令进行译码，并访问寄存器，读取操作数,对操作数进行有效地址计算,Load 或 Store指令在该段访问数据存储器,把运算结果或者从DM中取得的数写入寄存器,3.1 流水线的基本概念,它是指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。,3.1.2 流水线的分类 A 按照功能多少来分 B 按照同一时间段各段之间的连接方式来分 C 按照流水线的级别来分 C.1 部件级流水线 C.2 处理机级流水线 C.3 处理机间流水级,3.1 流水线的基本概念,不具有向量
11、指令和向量数据表示，仅对标量进行流水处理的处理机。 例如IBM360/91,Amdah1 470V/6等,3.1.2 流水线的分类 A 按照功能多少来分 B 按照同一时间段各段之间的连接方式来分 C 按照流水线的级别来分 D 按照数据表示来分 D.1 标量处理机 D.2 向量处理机,3.1 流水线的基本概念,具有向量指令和向量数据表示的处理机。 例如：TI ASC, CRAY-I等。,3.1.2 流水线的分类 A 按照功能多少来分 B 按照同一时间段各段之间的连接方式来分 C 按照流水线的级别来分 D 按照数据表示来分 D.1 标量处理机 D.2 向量处理机,3.1 流水线的基本概念,流水线中
12、的各段串行连接，没有反馈回路。,3.1.2 流水线的分类 A 按照功能多少来分 B 按照同一时间段各段之间的连接方式来分 C 按照流水线的级别来分 D 按照数据表示来分 E 按照是否有反馈回路来分 E.1 线性流水机 E.2 非线性流水机 E.2.1 流水线调度问题,3.1 流水线的基本概念,流水线中的各段除有串行连接外，还有反馈回路。,3.1.2 流水线的分类 A 按照功能多少来分 B 按照同一时间段各段之间的连接方式来分 C 按照流水线的级别来分 D 按照数据表示来分 E 按照是否有反馈回路来分 E.1 线性流水机 E.2 非线性流水机 E.2.1 流水线调度问题,3.1 流水线的基本概念
13、,3.1.2 流水线的分类 A 按照功能多少来分 B 按照同一时间段各段之间的连接方式来分 C 按照流水线的级别来分 D 按照数据表示来分 E 按照是否有反馈回路来分 E.1 线性流水机 E.2 非线性流水机 E.2.1 流水线调度问题, 流水线的调度问题,3.2 DLX的基本流水线 3.2.1 DLX的一种简单实现 3.2.2 基本的DLX流水线 3.2.3 流水线的性能分析,首先谈一下在不涉及流水的情况下DLX如何实现,3.2.1 DLX的一种简单实现,3.2 DLX的基本流水线,首先谈一下在不涉及流水的情况下DLX如何实现,3.2.1 DLX的一种简单实现 A 实现DLX的一种简单数据通
14、路,3.2 DLX的基本流水线,程序计数器,加法器,指令寄存器,多路选择器,临时寄存器，用来暂存需从上一个时钟周期传递到下一个时钟周期的值,3.2.1 DLX的一种简单实现 A 实现DLX的一种简单数据通路 B 一条DLX指令最多所需要的5个时钟周期,3.2 DLX的基本流水线,存放下一条指令的PC值,存放从寄存器中读取的内容,存放立即数,存放条件码,存放ALU运算结果,存放从存储器中取出的数,IR MemPC NPC PC + 4,3.2.1 DLX的一种简单实现 A 实现DLX的一种简单数据通路 B 一条DLX指令最多所需要的5个时钟周期 B.1 取指令周期,3.2 DLX的基本流水线,1
15、，根据PC值从存储器中取指令,2，将指令送入指令寄存器IR,3， PC值加4，指向下一条指令,4， 放入临时寄存器NPC中,A RegsIR610 B RegsIR1115 Imm(IR16)16#IR1631),3.2.1 DLX的一种简单实现 A 实现DLX的一种简单数据通路 B 一条DLX指令最多所需要的5个时钟周期 B.1 取指令周期(IF) B.2 指令译码/读寄存器周期(ID),3.2 DLX的基本流水线,指令的译码操作和读寄存器操作是并行进行的。之所以能做到这一点，是因为DLX指令格式中，操作码在固定位置。这种技术也称为固定字段译码技术。值得注意的是，在上述过程中，可能读出了一些
16、在后面周期中并不会使用到的寄存器内容，但是这并不会影响指令执行的正确性。相反，却可以有效地降低问题的复杂性。 另外，由于立即值在DLX指令格式中处于固定位置，因此这里也对其进行符号扩展，以便在下一个周期能使用它。当然由于指令的不同，也许在后面的周期中并不会用到这个立即值，但无论如何，提前形成立即值总是有益无害的。,3.2.1 DLX的一种简单实现 A 实现DLX的一种简单数据通路 B 一条DLX指令最多所需要的5个时钟周期 B.1 取指令周期(IF) B.2 指令译码/读寄存器周期(ID),3.2 DLX的基本流水线,A,进行指令译码,B-1，以IR610和IR1115为地址访问寄存器,B-2，读出的结果放在临时寄存器A和B中,C-1，同时对IR寄存器中低16
