流水线技术-中国科学技术大学.ppt

中国科学技术大学*计算机体系结构周学海******@-63601556,(MIPS).*流水线的基本概念一个任务可以分解为k个子任务K个子任务在K个不同阶段(使用不同的资源)运行每个子任务执行需要1个单位时间整个任务的执行时间为K倍单位时间流水线执行模式是重叠执行模式K个流水段并行执行K个不同任务每个单位时间进入/离开流水线一个任务中国科学技术大学chapter03.*同步流水线流水段之间采用时钟控制的寄存器文件(clockedregisters)时钟上升沿到达时…所有寄存器同时保存前一流水段的结果流水段是组合逻辑电路流水线设计中希望各段相对平衡即所有段的延迟时间大致相等时钟周期取决于延迟最长的流水段中国科学技术大学chapter03.*流水线的性能设=timedelayinstageSi时钟周期=max()为最长的流水段延迟时钟频率f=1/=1/max()流水线可以在k+n-1个时钟周期内完成n个任务完成第一个任务需要k个时钟周期其他n-1个任务需要n-1个时钟周期完成K-段流水线的理想加速比(相对于串行执行)中国科学技术大学chapter03.*简单的5段流水线5个流水段,每段的延迟为1个cycleIF:取值阶段选择地址:下一条指令地址、转移地址ID:译码阶段确定控制信号并从寄存器文件中读取寄存器值EX:执行Load、Store:计算有效地址Branch:计算转移地址并确定转移方向MEM:存储器访问(仅Load和Store)WB:结果写回中国科学技术大学chapter03.*流水线的可视化表示多条指令执行多个时钟周期指令按程序序从上到下排列图中展示了每一时钟周期资源的使用情况不同指令相邻阶段之间没有干扰中国科学技术大学chapter03.*指令流时序时序图展示:每个时钟周期指令所使用的流水段情况指令流在采用5段流水线执行模式的执行情况中国科学技术大学chapter03.*单周期、多周期、流水线控制性能比较假设5段指令执行流水线某一程序段假设:20%load,10%store,40%ALU,and30%branch比较三种执行模式的性能中国科学技术大学chapter03.*中国科学技术大学chapter3.*03/03-review流水线技术要点流水线技术并不能提高单个任务的执行效率,它可以提高整个系统的吞吐率流水线中的瓶颈——最慢的那一段多个任务同时执行,但使用不同的资源其潜在的加速比=流水线的级数流水段所需时间不均衡将降低加速比流水线存在装入时间和排空时间,使得加速比降低由于存在相关问题,会导致流水线停顿