第五章中央处理器-4指令流水线

1、计算机组成原理 中央处理器(4)2016-4-2016:44第第5 5章章 中央处理器中央处理器计算机组成原理216:445.6 5.6 流水流水CPUCPUv 5.6.1 并行处理技术并行处理技术v 5.6.2 流水流水CPU的结构的结构v 5.6.3 流水线中的主要问题流水线中的主要问题v 5.6.4 奔腾奔腾CPU计算机组成原理316:445.6.1 5.6.1 并行处理技术并行处理技术计算机组成原理416:445.6.1 5.6.1 并行处理技术并行处理技术计算机组成原理516:445.6.2 5.6.2 流水流水CPUCPU的结构的结构计算机组成原理616:445.6.2 5.6.2

2、 流水流水CPUCPU的结构的结构计算机组成原理716:445.6.2 5.6.2 流水流水CPUCPU的结构的结构v 标量流水计算机标量流水计算机只有一条指令流水线；只有一条指令流水线；v 超标量流水计算机超标量流水计算机有多条指令流水线，超标度有多条指令流水线，超标度N表示就有表示就有N条流水条流水线，上述超标量计算机的超标度为线，上述超标量计算机的超标度为2；计算机组成原理816:445.6.2 5.6.2 流水流水CPUCPU的结构的结构v 具有两条以上的指令流水线；具有两条以上的指令流水线； v 上图中流水线满载时，每一个时钟上图中流水线满载时，每一个时钟周期可以执行周期可以执行2条

3、指令；条指令； v 采用时间和空间并行技术；采用时间和空间并行技术；计算机组成原理916:445.6.2 5.6.2 流水流水CPUCPU的结构的结构计算机组成原理1016:445.6.2 5.6.2 流水流水CPUCPU的结构的结构计算机组成原理1116:445.6.2 5.6.2 流水流水CPUCPU的结构的结构计算机组成原理1216:445.6.3 5.6.3 流水线中的主要问题流水线中的主要问题计算机组成原理1316:445.6.3 5.6.3 流水线中的主要问题流水线中的主要问题计算机组成原理1416:445.6.3 5.6.3 流水线中的主要问题流水线中的主要问题计算机组成原理15

4、16:445.6.3 5.6.3 流水线中的主要问题流水线中的主要问题计算机组成原理1616:445.6.3 5.6.3 流水线中的主要问题流水线中的主要问题计算机组成原理1716:445.6.3 5.6.3 流水线中的主要问题流水线中的主要问题 计算机组成原理1816:445.6.3 5.6.3 流水线中的主要问题流水线中的主要问题计算机组成原理1916:445.6.4 5.6.4 流水线性能流水线性能 1. 吞吐率吞吐率 单位时间内单位时间内 流水线所完成指令流水线所完成指令 或或 输出结果输出结果 的的 数量数量 最大吞吐率最大吞吐率 实际吞吐率实际吞吐率 连续处理连续处理 n 条指令的

5、吞吐率为条指令的吞吐率为设设 m 段的流水线各段时间为段的流水线各段时间为tTpmax =1tTp =m + (n-1) ntt16:442. 加速比加速比 Sp m 段的段的 流水线的速度流水线的速度 与等功能的与等功能的 非流水线的速度非流水线的速度 之比之比 设流水线各段时间为设流水线各段时间为 t 完成完成 n 条指令在条指令在 m 段流水线上共需段流水线上共需 T = m + (n-1) t t 完成完成 n 条指令在等效的非流水线上共需条指令在等效的非流水线上共需 T = nmt Sp = m +(n-1) nm =nmm + n -1 t t t 则则5.6.4 5.6.4 流水

6、线性能流水线性能 16:44由于流水线有由于流水线有 建立时间建立时间 和和 排空时间排空时间因此各功能段的因此各功能段的 设备不可能设备不可能 一直一直 处于处于 工作工作 状态状态 流水线中各功能段的流水线中各功能段的 利用率利用率3. 效率效率 mt31245312453124531245 n-1 nn-1 nn-1 nn-1 nT时间时间S空间空间空间空间S4S3S2S1(n-1) t5.6.4 5.6.4 流水线性能流水线性能 16:44m(m + n -1) t = mnt 流水线各段处于工作时间的时空区流水线各段处于工作时间的时空区流水线中各段总的时空区流水线中各段总的时空区 效率效率 = 3. 效率效率 流水线中各功能段的流水线中各功能段的 利用率利用率5.6.4 5.6.4 流水线性能流水线性能 mt3124531245