第5章 重叠、流水和向量处理机.ppt

1、第5章溢流说唱乐、流水和矢量处理机、第5.1溢流说唱乐方式5.2流水方式5.3矢量流水处理和矢量流水处理机5.4命令级的高度并列的超级处理机，本章重点介绍流水的性能分析和时空图、相关处理、输油管道调度、矢量指令流水的并列和网络链接。 本章的难点：对于所要求的超说唱乐关系，计算所有指令完成的时间。 根据主题要求绘制功能静态流水时空图，计算吞吐率、效率、加速比。 单功能非线性输油管道的调度。 矢量指令间的并行、网络链接、串行的判断和必要拍数的计算。5.1过度说唱乐方式5.1.1基本思想和一次过度说唱乐一个指令的执行过程可以分为多个阶段，如分析执行有多种处理方式：依次执行，一次过度说唱乐，二次过度说

2、唱乐。 1、顺序解释：在各指令之间依次串行进行的各指令内部的各微操作也依次串行进行。 2、解释一个机器指令的微操作可以归纳到指令中，分析和执行的三个部分执行n条指令的时间：每个时间t，执行n条指令的时间： T=3nt，一条机器指令的解释，优点：控制简单，节约设备。 缺点：执行指令速度慢，功能零配件利用率低。 3、指令的超额说唱乐：可以在第k条指令的解释完成之前，开始对第K 1条指令的解释。重复解释的一种方式(二次重复)、4、重复方式对计算机构成的要求解决主存储碰撞问题(同时将第k条命令的命令和第K 1条命令的命令查询密码网站数据库到云同步) :一是将命令和命令分别存储在两个独立的存储器中；二是

3、采用多体交叉主存储系统；三是采用先进5、一次重复：指令分析单元和指令执行单元，随时只重复解释相邻的2个指令的方法。 一次工作重叠方式，“一次重叠”说明的优点：节省硬件，极简化控制，缩短指令的执行时间，明显提高功能零配件的利用率。 (1)为了实现“执行k”和“分析k 1”，硬件以添加一些需要独立的指令分析零配件和指令执行零配件的硬件为代价。 (2)采用延迟转移技术，必须解决条件转移指令导致的过度说唱乐效率降低问题。 (3)解决“相关”问题。5.1.2相关处理、1、基本概念“相关”:相邻指令之间存在关联，且无法向云同步解释以防止错误的现象“数相关”:相邻两个指令的数据地址相关联的“指令相关”:以机

4、器指令可修改的方式执行第k条指令后发生第K 1条指令的现象。 即，为了避免错误，第k、第k 1条的命令不能解释为云同步。 2、有关指令的处理：禁止指令修改，可另行设置执行指令，以解决程序设计的灵活性。 3、关于主记忆空间数的处理：后读。 倒读是指相邻的两个指令之间主要有对同一用户针织面料请求先写后读的关联的情况。 4、关于通用暂存器组的通用暂存器组数的处理方法：推迟“k 1的分析”设置“相关专用通道”，牺牲事前降低速度，后者牺牲增加硬件成本。 设置“相关专用通道”后，第k条指令的运算结果将通过硬件专用通道直接发送回暂存器。 关于通用暂存器组的基本地址值或目录索引值的处理：方法与上述相同，只是后

5、退解析的后退时间不同，设置“相关专用路径”重写是被访问的歌舞剧地址形成机构。 5.2流水方式，5.2.1基本概念1 .流水申报重复流水是重复申报：将命令的解释过程分为更多的子过程，命令解释的流水处理、流水处理的时空图， 流水的最大吞吐率：输油管道的全部负荷每t流动一次结果时达到的吞吐率流水的最大吞吐率取决于子程序的经过时间t，t越小输油管道的最大吞吐率越高。由于不能低于最慢子零配件的经过时间和锁存器的网站数据库时间之和的子进程的细分化以及锁存器的数目增加，所以就增加了塔斯克或指令流过输油管道的时间，并在某种程度上抵消了子进程的细分化提高吞吐量的优点。 2、输油管道分类计算机系统在不同级别上的输

6、油管道(处理级别) (1)流水的下游扩展意味着子进程被进一步细分，每个子进程所经过的时间减少到相同程度，吞吐率进一步提高。 (2)流水的向上扩展可以理解为多处理器间的流水。 所谓系统级流水，是指构成计算机系统的多个处理器间的流水，也称作宏命令流水。 处理器级的输油管道也称为指令输油管道(Instruction Pipelining )。 (1)单功能输油管道只能实现单功能的输油管道；(2)从输油管道功能的多少，分为单功能输油管道和多功能输油管道(输油管道具有的功能)。 (2)多功能输油管道是指，同一输油管道的各个区段间有多个不同的结合方式，能够实现多个不同的运算和功能。 ASC机械运算器的输油

7、管道是根据多功能输油管道的各段是否可以用多个不同的功能将输油管道分为静态输油管道和动态输油管道(1)静态输油管道，并切换为在某一时间内各段只能用一个功能来连接流水，等到输油管道全部为空后，再用其他功能来连接流水(2)动态输油管道的各个功能段可以由不同的运算和功能段在同一时间相连。 在机器具有的数据表示中，没有能够将输油管道处理机分为标量流水机和矢量流水机(1)标量流水机的矢量数据表示，只能以标量循环方式处理矢量和排列。 (2)所谓向量流水机，就是在机器上有向量数据显示，设置向量指令和向量运算硬件，能够对向量和排列的各要素进行流水处理。 在输油管道的各功能段之间有木有回种子文件电路，然后将输油管

8、道串联到直线流水和非线性流水(1)输油管道的各段，各段只通过一次，没有种子文件回显电路的称为线性输油管道。 水流段只流过一次，只流过一次。 线性输油管道可以由输油管道接续图唯一表示。 (2)输油管道中不仅有串行连接的路径，而且还有种子文件背电路，使塔斯克流向输油管道必须经过一定的段，或者超过一定的段，被称为非线性输油管道。 在输油管道的一部分流水段之间有回种子文件电路和种子文件正向电路。 简单的非线性输油管道，输油管道的其他分类方法(1)控制方式：同步输油管道和异步输油管道。 (2)不按顺序输油管道和不按顺序输油管道：不按顺序输油管道也称为不按顺序输油管道、不按顺序输油管道、不同步输油管道等。

9、 5.2.2输油管道处理机主要性能测定输油管道处理机的性能主要是吞吐率、效率和加速比。 1 .吞吐率在输油管道单位时间内可流出的塔斯克数或结果数。 求出输油管道吞吐率的最基本的公式： TP=n/Tkn是塔斯克数，Tk完成n个塔斯克所需的时间与各段的执行时间相等，在输入连续塔斯克的情况下完成n个连续塔斯克所需的总时间是Tk=(k n-1) Dt k是输油管道的段数， Dt是时钟周期，吞吐率：最大吞吐率是各段的执行时间不相等，录入连续塔斯克时：吞吐率是最大吞吐率：瓶颈子进程：输油管道中经过时间最长的子进程。消除瓶颈的两种方法：细分和并行化最大吞吐量：输油管道的各段的执行时间不相等的解决方法是细分“

10、瓶颈”的段(如果可能)，第二种是重复设置“瓶颈”的段(并行化) 对于反复设置有段的输油管道，若将经过m段的各段的时间设为t0，则从第一个指令流入到流出需要T0=mt0的流水确立时间，之后，每t0流出一个指令，完成n个塔斯克所需的时间t=mt0 (n-1 ) 在这一时间，输油管道的实际吞吐率是TP=n/(mt0 (n-1 ) t0 )=1/t0 (1(m-1 )/n )=TP max/(1(m-1 )/n )。加速比(Speedup )计算行的加速比的基本式： S=依次执行时间T0 /行执行时间Tm (1)各段的执行时间相等，输入连续塔斯克时的加速比： (2)最大加速比： (3)各段的执行时间不

11、相等，输入连续塔斯克时的实际加速比： 实际吞吐率是指，只要线性线的各个区段的经过时间不相等、瓶颈区段的时间可以完成n个间隔的任务，加速比：2 .效率输油管道效率指的是输油管道设备的实际使用时间占总工作时间的比率，也称为输油管道设备的时间利用效率。 如果线性输油管道中每段的经过时间相同，那么在t时间中，输油管道中每段的效率相同且均为0。 即，输油管道整体的效率：由上式可知，仅在nm时接近1。 在线性流水中，各级的经过时间相等的情况下，输油管道的效率与吞吐率成比例，即，若输油管道各级的经过时间不同，则各级的效率不同，能够得到输油管道整体的效率：3.输油管道的工作实例矢量a和b分别有4个要素，在下图

12、所示的静态二功能流水生产线中计算矢量点积1.2.3.5构成加法输油管道，1 4 5构成乘法输油管道。 并且，假定针对每条输油管道所经过的时间，则输油管道输出能够被直接返回到输入或暂时存储到对应缓冲器暂存器，因此延迟时间和功能切换时间都能够被忽略。 要求从输油管道开始流入到结果流出的时间的实际吞吐率TP和效率。 从上图可知，输油管道工作的时空图中，1.5时间有7个结果流出，其实际的吞吐率TP为7/(15 )，顺序方式的所需时间为4.3，3，4=2.4，因此，加速比Sp=24 /(15 )=1.6该输油管道的效率可以通过影响区面积与总5段的总时空间域面积之比求出，影响效率提高的因素有： 1、在具有

13、静态多功能输油管道的功能流水时，未使用本功能的段有时会空闲。 2、建设流水时，本功能使用的一部分段也空闲3、在功能切换时，增加了前功能流水的排出时间和后功能流水的确立时间4、在开始下一次计算之前，多等前一次计算的结果输出返回输入。 5.2.3流水设备的相关处理和控制机构流水设备遇到转移指令，特别是条件转移指令时，效率也显着下降。 转移命令和后续命令之间有关联，被称为全局关联，使得不能被云同步解释。 指令关联、主存储指令关联、公共暂存器组关联、基本地址或目录索引值关联仅影响关联的2条或数条指令，表示影响输油管道段的工作的后推，不改变先前取得的指令，影响称为局部的、局部的关联。 1 .处理局部相关

14、处理重叠机器的局部相关的方法： (1)推迟后续指令到相关用户针织面料的读取，直到完成前一指令。 (2)设置相关的直接通道，将运算结果通过相关的直接通道直接传送到必要的零配件。 配置和控制塔斯克在输油管道中的流动顺序有两种方法： (1)同步流方式：使塔斯克(指令)与输油管道流出顺序一致。(2)异步流程方式：使植物志入的塔斯克(指令)顺序与植物志入的顺序同步。 异步流方式带来的新关联性： (1)“写入-写入”关联对同一单个针织面料先要求写入，后能够写入的关联性被称为“写入”关联。 (2)“读后写”关联对于同一用户针织面料先读前面的命令，后面的命令先写的关联称为“读后写”关联。 (3)“先写后读”关

15、联对于同一用户针织面料要求先写在前面的命令中，对后面的命令先读的关联称为“先写后读”关联。 解决方法：推迟后续指令，设置相关的直接通道。 示例：第142页IBM 360/91浮点致动器。 2 .全局关联的处理全局关联是指进入输油管道的转移命令(特别是条件转移命令)与后续命令之间的关联。 (1)推测法推测历史上出现概率大的分支路径慢。 如果转移的两个分支概率不均匀，应该推测高概率分支。 采用猜测法时，应该保证猜测错误时能恢复分岔点的原始现场，一般有3种方法：沿猜测分岔解释机器时，应该与正常情况下的指令解释不同。 IBM360/91仅查询密码指令并准备命令，在转换条件查询密码出现之前不进行运算。

16、另一种方法是确保完成计算后不返回计算结果。 (初期使用两种方法都不方便)采用应用备份暂存器法。 推测错误时，取出应用备份暂存器的内容，恢复分支点的现场。 (2)加速条件查询密码的早期形成，不等待条件查询密码的早期形成完成的命令。 尽快获取条件查询密码，事先知道流向哪个分支，有助于流水机械极简化条件转移的处理。 两个方面的措施：加快一个指令内部条件查询密码的形成，形成不等待指令执行而反映运算结果的条件查询密码。 在某个计程仪柱内预先形成条件查询密码特别适合于判断环路型计程仪柱是否继续环路时的转移状况。 (3)采用延迟转移用软件方法，交换转移命令和与其在先无关的命令。 这是以软件方式进行静态指令调

17、度的技术。 (4)加快对短循环计程仪报的处理，同时将长度比手指高速缓存区短的循环计程仪报放入手指高速缓存区中，暂停预提取指令，以防止在循环执行时由指令预提取循环执行的指令流至手指高速缓存区，从而减少了网站数据库至主高速缓存区的次数，并且3、流水机械的中断处理流水机械的处理中断主要是如何处理程序断点现场的保护和恢复，而不是如何缩短输油管道的切断时间。 “不正确程序断点”法：无论指令I在输油管道的哪个阶段发生中断，没有进入输油管道的后续指令都没有进入。 进入输油管道的命令继续流，然后转移到中断处理程序。 “不正确的程序断点”方法不利于计程仪编程和计程仪程序的调试。 “精密程序断点”法：无论指令I在

18、输油管道中的哪个应答中断，赋予中断处理程序的现场都与I对应，I之后流入输油管道的指令的原来的现场能够恢复。 “精密程序断点”法需要设置很多应用备份暂存器，以使输油管道内的各指令的原始现场能够保存和恢复。 4 .如果对于每一输油管道调度(1)拍向输油管道发送新塔斯克，那么非线性输油管道引起相同功能段的使用冲突。 输油管道调度需要解决的问题：只有几拍被传送到下一个塔斯克，功能段才不会发生使用冲突，能够使输油管道具有高吞吐量和效率。 为了优化和控制输油管道的塔斯克，1971年E.S.Davidson等人提出使用二维预约表。 如果有由k段构成的单功能非线性输油管道，每个塔斯克通过输油管道需要n拍。 以如描绘时空图的方式，能够获得该塔斯克使用输油管道的每个段的时间关系显示(预留表)。其中，差拍编号n是塔斯克通过输油管道的时钟的差拍编号。 如果塔斯克再次在第n拍中使用第k段，则出现在相应的第n列和第k行的升交点中。 现在，输油管道由5段构成，段数k分别为1.5，塔斯克通过输油管道合计需要9拍，其预约表如下图所示：拍编号n，段数k，(a )单功能输油管道预约表的例子