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第9章流水线处理机及设计 本章主要内容 本章讲述以时间重叠为主来提高计算机系统并行处理能力的流水线处理机 首先 叙述流水处理的基本原理 流水线的分类和流水线处理机的主要性能 其后 讨论影响流水性能的各种相关处理和流水线的调度问题 最后 简要讲述有关指令级高度并行的超标量 超长指令字 超流水线处理机的概念 重点要求掌握流水线处理机的基本原理和流水线的性能分析 9 1先行控制技术9 2流水线工作原理9 3流水线性能分析9 4其他结构的高性能处理机 9 1先行控制技术 9 1 1重叠控制与先行控制 图9 1无重叠执行方式 图9 2一次重叠执行方式 图9 3二次重叠执行方式 9 1 2先行控制方式中处理机的结构 图9 4先行控制方式中的一次重叠执行方式 图9 5分析与执行时间不等的一次重叠执行方式 图9 6先行控制方式 图9 7采用先行控制方式的处理机结构 9 1 3先行控制方式中缓冲深度的设计 9 1 4数据相关 图9 8重叠执行时第K条指令和第K 1条指令的关系 9 1 5控制相关 1 猜测法2 采用延迟转移3 加快短循环程序的处理4 设置两个先行指令缓冲栈 9 2流水线工作原理 9 2 1流水线的工作原理及定义 图9 10指令解释的流水线处理 图9 11指令解释流水处理的时 间 空 间 图 9 2 2流水线的分类 1 按流水处理的级别分类功能部件级 处理机级和系统级等多种类型 图9 12浮点加法器的四级流水线 图9 13系统级流水线 2 按功能分类流水线按功能可以分为单功能流水线和多功能流水线 3 按流水线不同功能的联接切换方式分类按多功能流水线的各段能否允许同时用于多种不同功能联接 可把流水线分为静态流水线和动态流水线 4 按流水线的结构分类从流水线中各功能段之间是否有反馈回路 可把流水线分为线性流水线和非线性流水线 9 3流水线性能分析 衡量处理机性能的指标主要是吞吐率 thoughputrate TP 加速比 speedupratio 和效率 efficiency 9 3 1线性流水线的性能分析1 吞吐率 TP 图9 18各段执行时间相等的流水线时空图 2 加速比 图9 21任务数与加速比的关系 3 效率如果各段执行时间相等 则各段的效率是相等的 都等于 即 9 15 则整个流水线的效率为 9 3 3非线性流水线的调度技术简介 9 4其他结构的高性能处理机 9 4 1超标量处理机超标量流水机则采用多指令流水线 每个同时流出m条指令 称度为m 9 4 2超流水线处理机 9 4 3超标量超流水线处理机 超标量超流
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