流水线工作原理ppt课件

一、指令流水原理,2.指令的二级流水,1.指令的串行执行,取指令取指令部件完成,总有一个部件空闲,指令预取,若取指和执行阶段时间上完全重叠,指令周期减半速度提高1倍,执行指令执行指令部件完成,1,必须等上条指令执行结束，才能确定下条指令的地址，造成时间损失,3.影响指令流水效率加倍的因素,(1)执行时间取指时间,(2)条件转移指令对指令流水的影响,解决办法？,猜测法,2,4.指令的六级流水,六级流水,14个时间单位,串行执行,6954个时间单位,完成一条指令,6个时间单位,注释,3,二、流水线性能,1.吞吐率,单位时间内流水线所完成指令或输出结果的数量,最大吞吐率,实际吞吐率,连续处理n条指令的吞吐率为,4,2.加速比Sp,m段的流水线的速度与等功能的非流水线的速度之比,5,由于流水线有建立时间和排空时间因此各功能段的设备不可能一直处于工作状态,流水线中各功能段的利用率,3.效率,6,3.效率,流水线中各功能段的利用率,7,举例用一条5个功能段的浮点加法器流水线计算,分析首先需要考虑的是，10个数的的和最少需要做几次加法。,每个功能段的延迟时间均相等，流水线的输出端和输入端之间有直接数据通路，而且设置有足够的缓冲寄存器。要求用尽可能短的时间完成计算，画出流水线时空图，并计算流水线的实际吞吐率、加速比和效率。,我们可以发现，加法的次数是不能减少的：9次；,于是我们要尽可能快的完成任务，就只有考虑如何让流水线尽可能充满，这需要消除前后指令之间的相关。,由于加法满足交换率和结合率，我们可以调整运算次序如以下的指令序列，我们把中间结果寄存器称为R，源操作数寄存器称为A，最后结果寄存器称为F，并假设源操作数已经在寄存器中，则指令如下：,8,I1：R1A1+A2I2：R2A3+A4I3：R3A5+A6I4：R4A7+A8I5：R5A9+A10I6：R6R1+R2I7：R7R3+R4I8：R8R5+R6I9：FR7+R8,这并不是唯一可能的计算方法。假设功能段的延迟为t。时-空图如下，图中的数字是指令号。,9,3,2,1,4,1,1,1,1,2,2,2,2,3,3,3,3,4,4,4,4,5,5,5,5,5,6,6,6,6,6,7,7,7,7,7,8,8,8,8,8,9,9,9,9,9,21t,部件m,1,5,4,3,2,R1=A1+A2,R2=A3+A4,R3=A5+A6,R4=A7+A8,R5=A9+A10,R6=R1+R2,R7=R3+R4,R8=R5+R6,F=R7+R8,R1,R3,R5,R6,R7,R8,F,R2,R4,时间,10,整个计算过程需要21t，所以吞吐率为：,加速比为：,效率为：,11,课后思考,12,本课到此结束谢谢大家,13,取指（FI）：从存储器取出一条指令并暂时存入指令部件的缓冲区。指令译码（DI）：确定操作性质和操作数地址的形成方式。计算操作数地址（CO）：计算操作数的有效地址，涉及到寄存器间址、间址、变址、基址、相对寻址等各种地址计算方式。取操作数（FO）：从存储器中取操作数(若操作数在寄存器中，则无