第五章流水技术(mo).ppt

第五章流水线处理技术
流水处理概述
流水线工作方式
流水线调度
流水中并行性进一步开发
向量流水处理技术
本章重点见书 P193 5 . 1~5 . 9
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流水线处理概述
一、CPU主要工作方式:
顺序
重叠
流水
取指令
分析
执行
。。。
每阶段时间为t,共n条指令
顺序串行(sequence):
设指令工作方式分成取指令、分析、执行指令
若各阶段执行时间相等,则共需3 n t
优点:控制简单;
缺点:速度慢,机器各部件的利用率很低。
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重叠(Overlap):在两条相近指令的解释过程中,某些不同解释阶段在时间上存在重叠部分。
包括一次重叠、先行控制技术和多操作部件并行。
上一条指令的执行阶段与下一条指令的取指阶段完全重叠;T=(2×n+1)t
将相邻两条指令的重叠时间再往前提前一个阶段;T=3×t+(n-1)×t=(n+2)×t
一次重叠:把取指令操作隐含在分析、执行指令过程中,则在任何时候只允许上条指令“执行”与下条指令“分析”相重叠。 T=(n+1)×t
实际执行时间:
若各段时间不等时,有
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先行控制:分析部件和执行部件能分别连续不断地分析和执行指令,预取和缓冲相结合的技术,通过对指令流和数据流的先行控制,使指令分析器和执行部件能尽量连续并行工作。
执行时间:
分析k 执行k
分析k+1
执行k+1
分析k+2
执行k+2
多操作部件并行:采用有多个功能部件的处理机,把ALU的多种功能分散到几个具有专门功能的部件中,这些功能部件可以并行工作,使指令流出速度大大提高。
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1、流水的概念特点
流水:把一个重复时序过程分成若干个子过程,每个子过程
都可有效的在其专用功能段上和其它子过程同时执行
的一种技术。
、流水工作方式
取指
访存
执行
译码
写回
IF
ID
EX
MEM
WB
S1
S2
S3
S4
S5
输入
输出
指令的流水处理
流水线的基本结构中主要包括三大部分:锁存器、时钟、功能站。
流水线中每个站都是由一些执行算术和逻辑功能的组合逻辑线路组成的,它们可以互相独立地对流过的信息进行某种操作,相邻两站由高速锁存器(latch)隔开,信息在各站间的流动靠同时送到各站的时钟信号来控制。
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S1
S2
Sk
输入
输出
流水线的基本结构
.….
…..
时钟
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...
1
2
3
4
5
...
...
n-1
n
...
1
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3
4
5
...
...
n-1
n
...
1
2
3
4
5
...
...
n-1
n
...
1
2
3
4
5
...
...
n-1
n
1
2
3
4
△t0
△ t0
△ t0
△ t0
T0=m △ t0
n △ t0
T
(m-1) △ t0
(n-1) △ t0
填入正常排空
流水时空图
空间
时间
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2、流水线特点:
1)流水一定重叠,比重叠更苛刻。
2)一条流水线通常有多个流水段组成。
3)每段有专用功能部件,各部件顺序连接,不断流。
4)流水线有建立时间、满载时间、排空时间,
5)各段时间尽量短、一致;不一致时最慢子过程为瓶颈。
6)给出指标如最大吞吐率,为满负载最佳指标。
建立时间:在流水线开始时有一段流水线填入时间,使得流水线填满。
正常流动时间:流水线正常工作,各功能段源源不断满载工作。
排空时间:在流水线第一条指令结束时,其他指令还需要一段释放时间。
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3
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出
入
非线性流水线
3、流水的分级、分类
分级:(处理的级别分类)
部件级:将复杂的算逻运算组成流水工作方式;
指令级:把一条指令解释过程分成多个子过程;
处理机级:每个处理机完成某一专门任务,各个处理机所得到的结果需存放在与下一个处理机所共享的存储器中
其他分类:
功能:单功能流水线(如CRAY-1)、多功能流水线(如TI-ASC)
工作方式:静态流水线、动态流水线
连接方式:线性、非线性
处理数据:标量流水、向量流水
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(1)ASC算术运算流水线(多功能)
输入
减阶
对阶移位
相加
规格化
相乘
累加
输出
1
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3
4
5
6
7
8