流水线工作原理ppt课件

1、取指令取指令 3执行指令执行指令 3一、指令流水原理一、指令流水原理2. 指令的二级流水指令的二级流水1. 指令的串行执行指令的串行执行取指令取指令 取指令部件取指令部件 完成完成总有一个部件总有一个部件 指令预取指令预取假设假设 取指取指 和和 执行执行 阶段时间上阶段时间上 完全重叠完全重叠指令周期指令周期 减半减半 速度提高速度提高 1 倍倍执行指令执行指令 执行指令部件执行指令部件 完成完成取指令取指令 1执行指令执行指令 1取指令取指令 2执行指令执行指令 2取指令取指令 3执行指令执行指令 3取指令取指令 2执行指令执行指令 2取指令取指令 1执行指令执行指令 11 必需等必需等

2、上条上条 指令执行终了，才干确定指令执行终了，才干确定 下条下条 指令的地址，指令的地址， 呵斥时间损失呵斥时间损失3. 影响指令流水效率加倍的要素影响指令流水效率加倍的要素(1) 执行时间执行时间 取指时间取指时间 (2) 条件转移指令条件转移指令 对指令流水的影响对指令流水的影响 处理方法处理方法 ？取指令取指令部件部件指令部件缓冲区执行指令部件猜测法24. 指令的六级流水指令的六级流水六级流水六级流水14 个时间单位个时间单位串行执行串行执行6 9 54个时间单位个时间单位完成完成 一条指令一条指令6 个时间单位个时间单位COFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWOD

3、IFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFI指令指令 1指令指令 2指令指令 3指令指令 4指令指令 5指令指令 6指令指令 7指令指令 8指令指令 9 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14t注释注释3二、流水线性能二、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 实践吞吐率实践吞吐率 延续处置延续处置 n 条指令的吞吐率为条指令的吞吐率为设设 m 段的流水线

4、各段时间为段的流水线各段时间为t tTpmax =1t tTp =m + (n-1) nt tt t42. 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 那么那么5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

5、排空时间因此各功能段的因此各功能段的 设备不能够设备不能够 不断不断 处于处于 任务任务 形状形状 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) t6m(m + n -1) t = mnt 流水线各段处于任务时间的时空区流水线各段处于任务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 mt31245312453124531245 n-1 nn-1 nn-1 nn-1 nT时间时间S空间空间空间空

6、间S4S3S2S1(n-1) t流水线中各功能段的流水线中各功能段的 利用率利用率7举例举例 用一条用一条5 5个功能段的浮点加法器流水线计算个功能段的浮点加法器流水线计算 101iiAF分析分析首先需求思索的是，首先需求思索的是，10个数的的和最少需求做几次加法。个数的的和最少需求做几次加法。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存放器。要求用尽能够短的时间完成计算，画出流水线时空图，并计算置有足够的缓冲存放器。要求用尽能够短的时间完成计算，画出流水线时空图，并计算

7、流水线的实践吞吐率、加速比和效率。流水线的实践吞吐率、加速比和效率。我们可以发现，加法的次数是不能减少的：我们可以发现，加法的次数是不能减少的：9次；次；于是我们要尽能够快的完成义务，就只需思索如何让流水线尽能够充溢，这需求消除前后于是我们要尽能够快的完成义务，就只需思索如何让流水线尽能够充溢，这需求消除前后指令之间的相关。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，我们把中间结果存放器称为果存放器称为R，源操作数存放器称为，源操作数存放器称为A，最后结果存放器称为，最后结果存放器称为F，并假设源操作数曾经在存，并假设源操作数曾经在存放器中，那么指令如下：放器中，那么指令如下：89 32 1 4 1 1 1 1 2 2 2 2 3 3 3 34 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 921t部件m15432R1=A1+A2R2=A3+A4R3=A5+A6R4=A7+A8R5=A9+A10R6=R1+R2R7=R3+R4R8=R5+R6F=R7+R8R1R3R5R6R7R8FR2R4时间10整个计算过程需求整个