流水线工作原理.ppt

1、一、指令流水原理,2. 指令的二级流水,1. 指令的串行执行,取指令 取指令部件 完成,总有一个部件 空闲,指令预取,若 取指 和 执行 阶段时间上 完全重叠,指令周期 减半 速度提高 1 倍,执行指令 执行指令部件 完成,必须等 上条 指令执行结束，才能确定 下条 指令的地址， 造成时间损失,3. 影响指令流水效率加倍的因素,(1) 执行时间 取指时间,(2) 条件转移指令 对指令流水的影响,解决办法 ？,猜测法,4. 指令的六级流水,六级流水,14 个时间单位,串行执行,6 9 54个时间单位,完成 一条指令,6 个时间单位,注释,二、流水线性能,1. 吞吐率,单位时间内 流水线所完成指令

2、 或 输出结果 的 数量,最大吞吐率,实际吞吐率,连续处理 n 条指令的吞吐率为,2. 加速比 Sp,m 段的 流水线的速度 与等功能的 非流水线的速度 之比,由于流水线有 建立时间 和 排空时间 因此各功能段的 设备不可能 一直 处于 工作 状态,流水线中各功能段的 利用率,3. 效率,3. 效率,流水线中各功能段的 利用率,举例 用一条5个功能段的浮点加法器流水线计算,分析首先需要考虑的是，10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。要求用尽可能短的时间完成计算，画出流水线时空图，并计算流水线的实际吞

3、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：9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尽可能充满，这需要消除前后指令之间的相关。,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，我们把中间结果寄存器称为R，源操作数寄存器称为A，最后结果寄存器称为F，并假设源操作数已经在寄存器中，则指令如下：,I1：R1A1+A2 I2：R2A3+A4 I3：R3A5+A6 I4：R4A7+A8 I5：R5A9+A10 I6：R6R1+R2 I7：R7R3+R4 I8：R8R5+R6 I9：FR7+R8,这并不是唯一可能的计算方法。假设功能段的延迟为t。时-空

4、图如下，图中的数字是指令号。,3,2,1,4,1,1,1,1,2,2,2,2,3,3,3,3,4,4,4,4,5,5,5,5,5,6,6,6,6,6,7,7,7,7,7,8,8,8,8,8,9,9,9,9,9,21t,部件m,1,5,4,3,2,R1=A1+A2,R2=A3+A4,R3=A5+A6,R4=A7+A8,R5=A9+A10,R6=R1+R2,R7=R3+R4,R8=R5+R6,F=R7+R8,R1,R3,R5,R6,R7,R8,F,R2,R4,时间,整个计算过程需要21t，所以吞吐率为：,加速比为：,效率为：,课后思考,本课到此结束 谢谢大家,取指（FI）：从存储器取出一条指令并暂时存入指令部件的缓冲区。 指令译码（DI）：确定操作性质和操作数地址的形成方式。 计算操作数地址（CO）：计算操作数的有效地址，涉及到寄存器间址、间址、变址、基址、相对寻址等各种地址计算方式。 取操作数（FO）： 从存储器中取操作数(若操作数在寄存器中