第7周大课处理器(5).ppt

回顾,采用流水线技术的处理器RISC处理器,教学内容,指令级并行技术,教学要求,熟悉流水线阻塞的主要原因掌握解决流水线阻塞解决的主要方法,采用流水线技术的处理器,流水线技术应具有如下特点：流水过程由若干有联系的子过程组成；每个子过程用专用的功能段实现；各个功能段所需的时间应尽量相等，这个时间一般作为时钟周期。如果流水线各个功能段所需时间不相等，则时间长的功能段将成为流水线的瓶颈，会造成流水的“堵塞/断流”,第3章处理器,3.3从CISC到RISC,3.3.1RISC产生的背景3.3.2RISC的定义3.3.3指令级并行技术,1.概述指令级并行：若程序中相邻的一组指令是相互独立的，即不竞争同一个功能部件、不相互等待对方的运算结果、不访问同一个存储单元，那么它们就可以在处理器内部并行执行。,第3章处理器,3.3.3指令级并行技术,2.指令流水阻塞的原因,结构相关：数据相关：控制相关：,流水线中重叠执行的两条或多条指令同时要使用同一硬件设备，而这一设备无法同时被这些指令使用。这样，控制逻辑就要暂停后进入流水线的指令执行。结构相关也称结构险象/结构冒险（StructureHazard），或硬件资源相关/硬件资源冲突。,第3章处理器,3.3.3指令级并行技术,2.指令流水阻塞的原因,结构相关：数据相关：控制相关：,同时处于流水线中的两条指令，若后面指令的源操作数或者基址/变址值是前面指令的目的操作数，则前面指令的写操作完成后，后面的指令才能读到正确的结果，即指令之间存在对同一主存单元或寄存器的“先写后读RAW（ReadAfterWrite）”要求。数据相关也称数据险象/数据冒险（DataHazard）。,第3章处理器,3.3.3指令级并行技术,2.指令流水阻塞的原因,结构相关：数据相关：控制相关：,已进入流水线的转移指令（尤其是条件转移指令）和其后续指令之间的相关。控制相关也称控制险象/控制冒险（ControlHazard）。,第3章处理器,3.3.3指令级并行技术,3.结构相关的解决办法,结构相关主要表现在访问主存冲突。解决方法有：（1）采用交叉访问主存储器/Cache。（2）采用哈佛结构的主存储器/Cache。（3）在处理器内部设置“先行指令预取缓冲队列”。（4）采用定长指令格式，指令字长等于机器字长。（5）将指令集设计成“Load/Store”风格。（6）指令和数据在存储器中要“对齐”存放。（7）采用多端口存储器。,第3章处理器,3.3.3指令级并行技术,4.数据相关的解决办法,基于软件的解决方法是由编译器来调整指令顺序或插入“NOP”指令。基于硬件的解决方法有：（1）阻塞流水线。（2）在处理器内部设置“相关专用通路”。,数据旁路法或内部转发法。,第3章处理器,3.3.3指令级并行技术,5.控制相关的解决办法,（1）猜测法（2）“冻结（Freeze）取指”/插入NOP指令（3）加快/提前形成条件码（4）延迟转移,第3章处理器,3.3.3指令级并行技术,6.延迟转移,修改控制逻辑，不保存指令4的执行结果或者在指令3后插入NOP指令这两种方法都会浪费一个时钟周期，可惜！,1ADDR1,R22SD(R3),R13JZNEXT24NEXT1SUBR2,R3nNEXT2MOVER4,A,第3章处理器,3.3.3指令级并行技术,6.延迟转移,这就是“延迟转移技术”(DelayedBranch)！延迟转移是由编译器完成，对应用程序员透明，但是对系统程序员不透明。,调整指令顺序：1ADDR1,R22JZNEXT23SD(R3),R14NEXT1SUBR2,R3nNEXT2MOVER4,A,第3章处理器,3.3.3指令级并行技术,7.超标量和超长指令字技术,超标量技术超长指令字技术,在处理机内部，设置m条独立的指令流水线。理想情况下，每个时刻、每个流水线段可同时执行m条不同的标量指令，称m为超标量处理机的度数。称这样的处理机为：超标量处理机(SuperscaleProcessor),超标量处理机,度数m=3的超标量处理机时空图,第3章处理器,3.3.3指令级并行技术,7.超标量和超长指令字技术,超标量技术超长指令字技术,由编译程序找出指令间潜在的并行性，将多个能并行执行的不相关的操作压缩组合在一起，形成一条有多个操作段的超长指令；这条超长字指令控制机器中多个相互独立的功能部件并行操作。每个操作码段控制其中的一个功能部件，相当于同时执行多条指令,第3章处理器,3.3.3指令级并行技术,超长指令字处理机时空图,第3章处理器,3.3.3指令级并行技术,8.超流水线技术,例3-14下列选项中，不会引起指令流水阻塞的是。A.数据旁路（转发）B.数据相关C.条件转移D.资源冲突,A,3.2.3采用流水线技术的处理器,例3-15下列选项中，能缩短程序执行时间的措施是。I.提高CPU时钟频率II.优化数据通路结构III.对程序进行编译优化A.仅I和IIB.仅I和IIIC.仅II和IIID.I、II和III,D,3.2.3采用流水线技术的处理器,例3-16下列给出的指令系统的特点中，有利于实现指令流水线的是。I.指令格式规整且长度一致II.指令和数据按边界对齐存放III.只有Load/Store指令才能对操作数进行存储访问A.仅I、IIB.仅II、IIIC.仅I、IIID.I、II和III,D,小结