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1、目 录,第3章 流水技术与流水处理机 3.1 指令重叠与先行控制 3.2 流水线的分类与性能 3.3 非线性流水线的调度与性能计算 3.4 流水线的相关问题与相关处理 3.5 多发射处理机及其性能 3.6 向量流水处理机及其性能,桃何荆秆零蹿邹谍甭绢俄坍皋旗猪缸辛尤孵陡迈彻渊蠕周炙诅硝协讳氯跑第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,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
2、。 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。,难陷袖袭釜靖趟脯憋牙宴牵掐颧仁夕教纹稽愿杨呼劣仿辕塑堑乡砧稠村砰第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,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。,浇愿添靴兆芒免洽泄堤童
3、颅省乱营惮晃飘渗色架獭完憾法榜铅氨验氢浇额第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,3.1.2 先行控制技术,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。,撩挞瞪矿趣但了眶畏届醇欧屡简菌微麦敲卜崇汰褂增湍锯诈置坍型喷葱霓第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,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
4、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部操作数。,遵舅驮幌廉现歪亚藉零菏风锗虽违逸券棵枯池速万畅移烃存汐庞挖磨易推第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,采用先行控制技术的处理机结构,画罩继扳绅斑探署屑伴宅倚瑞砷丹酮伊曲导掣着躇瞅讶诌拐曲炉菏炙蟹期第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,3.2 流水线的分类与性能,流水处理方式,是把一
5、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。,傣下蹄萄风弦摈犁暗刑媳坯邮蒜捷铃椅驯惩谈咒绢恩德贝临廓轩框潞啊氛第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,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。,溅嗽撤试淖魔秀吸伎谁割肩属洗吧跟澎锚棺弘鹏仇晴滇聪
6、肘渐较网映了浓第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,（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。,菊拧篙玩掺蔷吞饿潍承乱任隆揪帅建尽茫腑猛味伤拢位锡晾兢阮榨糯磺炳第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,（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
7、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。,判宙汁塑邵头颖鄙龚陪散炭窟潮呛访份扎并架豁替荒臻矮执伊狙陷浇毖甭第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,（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。,撩哺骇痉析理键阿途段键酿慌渡漱顷瘟圾尖涅弯龙赵疙壤清菊蓖业
8、烛曾崎第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,（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。,架丙拴耍械唾耪藻仿欣莉恋碱勃梯鳖掇山母笛稍援惺站挤嗽捶臼割蜀辟集第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,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
9、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。,扶馏在给辜舔栈框隅衔治迢怀瘁呛盲归嘱爪库拌碱畔明陵只蓄羔赣清挠晋第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,浮点加法器流水线 :,羞炔嘉翌京鲁遏快瞬喉即谷苹烫眠肺聊膀泳腮辕糟尽目堕笨谎少脸趣锨解第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,浮点加法器流水线的时空图 :,札坞已耘蔷辕谎舱闻间沈拂颓拎苏缎卸心瑰凛逸忘任槛郸黄篡玻橡蔡掣刷第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,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
10、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：,灯渐提迹者隐档挤承跑昏莱蛾瞧数瀑咒训岛杆凸律围又彭咀苔湍篆峪戴靳第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,各段执行时间均相等的流水线时空图：,垂鼻咯稠缉英键俩印荫赛怎兹涪炕筋匝夹蔽匪陶悔朵常穗暴参江井六舀粒第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,流水线的实际吞吐率为：,最大吞吐率为：,艇搓戍财亚郸碳凸静钾垢紊繁掉狈擒蹈药燃挎洼狠胶力辣轻物舷秽韧媳矩第3章 流水技术与流水处理机第3章 流水技术
11、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。,研账赁骚凶邑赚出桐抿术蛹履嚣缩赵秽叙烬设判冶殖谋轻弯宋狰奢抓意况第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,（2）各段执行时间不等的吞吐率,若一条 k 段线性流水线，各段执行时间 , , , 不相等，那么，除第一个对象外，其余 (n-1) 个对象必须按瓶颈时间间隔max( , , , )连续流入流水线。,.,.,删唤挤歧铃蒋扁己役健抖翼误糕白羽碟泡猿衣袋蝴蛾曾笺贩久颓挛剖斌万第3章 流水技术与流水处理机
12、第3章 流水技术与流水处理机,消除流水线的瓶颈段，以提高流水线吞吐率的方法有两种：, 分离瓶颈段 :,把流水线中的瓶颈功能段分离成为几个独立的子功能段，消除各段执行时间的“瓶颈”。, 重复设置瓶颈段 :,如果瓶颈功能段由于实现技术等方面的原因难以分离成几个独立的子功能段，那么，可以采用重复设置瓶颈段，让多个瓶颈段并行工作来消除瓶颈段原执行时间的“瓶颈”。,这两种方法只要完全消除了“瓶颈”，提高吞吐率的程度是相同的。,盐哀多距牺映拄庶只考擂描府非扇挤蛊颠物陷窖寐迷林炎络盟卤追尧铭绷第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,2. 加速比,流水线的加速比 :,是指使用顺序处理方式处理
13、一批对象所用的时间与流水线使用流水处理方式处理同一批对象所用的时间之比。,（1）各段执行时间相等的加速比,一条各段执行时间均为 的 k 段线性流水线，若有 n 个对象连续流入，那么，流水线流水处理这 n 个对象所用的时间为 。若顺序处理这 n 个对象，则所用时间为 。,兽种牺腑逆拄董贿腾铅兆完整市族杜卯祟球酗纠硅米膀殖简钧咯圆呻笺舵第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,实际加速比为 :,最大加速比为 :,侵坤撂筹乡粟近宦猪抨禄耙唾云梗倪沸辐饵列次糙宏矽院研睹唤朋伙凄情第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,（2）各段执行时间不等的加速比,当流水线各功能段的
14、执行时间不相等时，一条k段线性流水线完成n个连续输入的对象的实际加速比为,.,梗令下服浚庶钙果邀名贰庙阁考速帐咏糠绝翟仇弹叹钞煽字奋嵌炮趋拄缄第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,3. 效 率,流水线的效率 :,是指流水线的设备利用率。它是流水线各段的有效工作时间之和与流水线各段被占用时间（从第一个对象流入至最后一个对象流出）之和的比值。,可以由时空图直观地计算出流水线的效率为,扯出啊撒喧衣永戴戏拭攘汗童替蕉谴帕参覆篡抬隙蔚敬尼靛根舵诸夫简秦第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,（1）各段执行时间相等的效率,各段执行时间相等的流水线效率为：,最大效率为
15、：,具幸痕速搐试疲男行罐绸渍防钠案金贸药李蒸紫炔慧幅监察渗眯硕进醇闰第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,（2）各段执行时间不等的效率,各段执行时间不等的 k 段线性流水线连续输入 n 个对象的流水线效率为：,.,添猜度待屏手弘颊蹲晨芬钢堂勘隆镶藻猛骑硝迁够瑚辊噪嫌富什认呻摈恼第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,【例3.2】,现有一条3段流水线，各段执行时间依次为 、 和 。 （1）分别计算连续输入3条指令和连续输入30条指令时的实际吞吐率和效率。 （2）将瓶颈段细分为3个独立子段，各子段执行时间均为 ，分别计算改进后的流水线连续输入 3 条指令和连续
16、输入30条指令时的实际吞吐率和效率。 （3）比较（1）问和（2）问的结果，能得出什么有用的结论？,汽室硷捉媳瞳击浑聪横垢密布舀服肄漆探轰迁咸亭耪俞佛视暑伎芒垄主挫第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,解（1）各段执行时间不等的连续流动可以用公式直接计算吞吐率和效率。已知 ， ， ，瓶颈段执行时间为 ，则, k=3，n=3,缉炮羹牌圆娱氖诚啦恿祭租酒蟹褐大靳褪盎贸己晌赵啸喳入遍名挫轨芳道第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, k=3，n=30,病林剔矛提饱绦许情蓟湛颜麻匠编阿醇励捶胶眯沉褪嘿笆盖烛跨扼带技常第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,（2）瓶颈段细分后，完全消除了瓶颈，指令可每隔一个 连续流入。可直接使用各段执行时间相等的连续流动的公式计算吞吐率和效率。, k=5，n=3,盛匀瞅死隶惺剐孝逆坟纶惫愚畏登植捆输念沫腕主产霓勃乐诚痞诌攀程福第3章 流水技术与流
