流水线工作原理精品专业课件

1、取指令取指令 3执行指令执行指令 3一一2. 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 空闲空闲指令预取指令预取若若 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 完成完成取取指令指令 1执行执行指令指令 1取取指令指令 2执行执行指令指令 2取取指令指令 3执行执行指令指令 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精品 PPT 欢迎下载 可修改 必须等必

2、须等 上条上条 指令执行结束，才能确定指令执行结束，才能确定 下条下条 指令的地址，指令的地址， 造成时间损失造成时间损失3. 影响指令流水效率加倍的因素影响指令流水效率加倍的因素(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 解决办法 ？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2精品 PPT 欢迎下载 可修改4. 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 一一条指令条指令6 个时间单位个时间单位COFOEIWODIFICOFOEIW

3、ODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFI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精品 PPT 欢迎下载 可修改二、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 实际吞吐率实际吞吐率 连续处理连续处理

4、 n 条指令的吞吐率为条指令的吞吐率为设设 m 段的流水线各段时间为段的流水线各段时间为t tTpmax =1t tTp =m + (n-1) nt tt t4精品 PPT 欢迎下载 可修改2. 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

5、 -1 t t t 则则5精品 PPT 欢迎下载 可修改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) t6精品 PPT 欢迎下载 可修改m(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

6、 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精品 PPT 欢迎下载 可修改举例举例 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分析分析首先需要考虑的是，首先需要考虑的是，10个数的的和最少需要做几次加法。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

7、足够的缓冲寄存器。要之间有直接数据通路，而且设置有足够的缓冲寄存器。要求用求用尽可能短尽可能短的时间完成计算，画出的时间完成计算，画出流水线时空图流水线时空图，并计，并计算流水线的算流水线的实际吞吐率实际吞吐率、加速比加速比和和效率效率。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；于是我们要尽可能快的完成任务，就只有考虑如何让流水线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尽可能充满，这需要消除这需要消除前后指令前后指令之间的之间的相关相关。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由于加法满足交换率和结合率，我们可

8、以调整运算次序如以下的指令序列，我们把，我们把中间结果寄存器中间结果寄存器称为称为R，源操作数寄存器源操作数寄存器称为称为A，最后，最后结果寄存结果寄存器器称为称为F，并假设源操作数已经在寄存器中，则指令如下：，并假设源操作数已经在寄存器中，则指令如下：8精品 PPT 欢迎下载 可修改9精品 PPT 欢迎下载 可修改 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精品 PPT 欢迎下载 可修改整个计算过程需要整个计算过程需要21t21t，所以吞吐率为：，所以吞吐率为：tTp21914. 221452159ttS%86.4221559ttE加速比为：加速比为：效率为：效率为：12精品 PP