第四章 流水线结构.ppt

前言 计算机系统设计的基本任务之一就是加快指令的解释过程。 采用高速部件，努力提高指令内部的并行性，从而加快单条指令的解释过程； 采用指令间的并行性，从而并发的解释两条或两条以上的指令，以至于整段程序，达到提高计算机整体速度的目的。 本章在叙述并行性基本概念的基础上，着重介绍一次重叠、先行控制、流水线结构等基本原理、性能分析，以及设计中应考虑的一些问题。 并行性概念：在同一时刻或同一时间间隔内完成两种或两种以上工作，只要在时间上相互重叠，均存在并行性。 分类： 同时性－－指两个或多个事情在同一时刻发生的并行性 并发性－－指两个或多个事情在同一时间间隔内发生的并行性 例如：以n位串行进位并行加法为例，由于存在进位信号从低位到高位逐位递进的延迟时间，因此n 位全加法器的运算结果并不是在同一时刻获得，故不存在同时性，只存在并发性。 如果有m个存储器模块能同时进行存取信息，则属于同时性。 一、单机系统中并行处理的发展 单处理机并行性开发的主要途径是时间重叠。 实现时间重叠的基础是部件功能专用化。 将一件工作按功能分割成若干联系的部分，每一部分有指定的专门部件来完成，然后按时间重叠的原则把各部分执行过程在时间上重叠起来，使所有部件依次分工完成一组同样工作。 通过重复设置多个相同的处理单元，在一个控制器的指挥下，按照同一指令（即一条向量指令）要求，各处理机同时对各向量元素进行操作。这就是并行处理机。 并行处理机普遍采用阵列结构形式，故称之为阵列机。 在任务级并行，则每个处理单元配备自己的控制器，能独立的解释、执行指令而成为一台处理机，这就是多处理机系统。 它可以称为对称型（symmetrical）或同构型多处理机系统（homogeneous multiprocessor system）。它们由多个同类型、同功能的处理机构成，能同时处理同一作业中能并行执行的多个任务。 耦合度是反映多机系统中各机器之间物理连接的紧密程度和交互作用能力的强弱 最低耦合：仅通过中间存储介质互相通信，除此之外，各机器间并无物理连接，也无共享的联机硬件资源 。例如：磁带 松散耦合（间接耦合）：机器之间是通过通道或通信线路实现互联，共享某些外围设备。特点：通信频带较低 紧密耦合（直接耦合）：通过总线或高速开关实现互连，共享主存储器，机器间通信频率高，信息传输率和吞吐量大。 两种典型的松散耦合形式： 多台计算机通过通道和共享的外围设备连接，各个机器实现功能专用化，机器处理结果以文件和数据集合形式送到共享外设，供其他机器调用，从而获得较高的系统使用效率； 各节点计算机通过计算机网络连接，在网络操作系统管理下，合理调度软、硬件资源，以求得更大范围内资源共享。 多机系统也沿着时间重叠、资源重复、资源共享的技术途径向前发展，但与单机系统有区别。 早期用于提高系统可靠性。 随着硬件降价，现在多处理机系统更多追求的是提高系统的处理速度。 如何加快指令的解释过程是计算机组成设计的基本任务。除了采用高速部件外，一次重叠，先行控制和流水等控制方式是常用的，意在提高指令的并行性，从而加速指令的解释过程。控制方式分类： 顺序方式、 重叠方式、 流水方式。 一条指令的执行过程可以分为多个阶段，如： 取指 分析 执行 可以有多种处理方式，主要有四种： 顺序执行方式执行n条指令所用的时间为 每段的时间都为t 执行第k条指令与取第k＋１条指令同时进行 如果执行一条指令的3个阶段时间均相等，则执行n条指令所用的时间为： T=(2n+1)t 如果执行一条指令的3个阶段时间均相等，则执行n条指令的所用时间为： T=(2+n)t 见中文书：119页 图4－6 由于指令系统复杂，各种类型指令难以做到时间相等，出现了执行部件等待的情况指令分析部件和执行部件就不能连续、流畅地工作，从而机器的整体速度受到影响。 基本思想：执行第k条指令时，同时对后续的第k+1，k+2…条指令进行预取和预处理。为执行新的指令做好从分前期准备。 见中文书：121页 图4－8、图4－9 见中文书： 121页 图4－10 现代计算机组成中，缓冲部件使用较多，他们一般设置在两个工作速度不同的部件之间，起到平滑其工作的作用。缓冲技术是计算机组成设计的一个重要技术。 e.异步流动法：让流水线中相关指令的后续不相关指令先执行，自动消除相关。 可见：异步流动自动消除了h,j的相关，优越于a~d解决方法。 目前，较多系统采用异步流动的方法。 异步流动会产生新的数据相关类型，使其控制很复杂。 读段 写段 入 出 段号： 1 2 3 4 5