第五章标量处理机(2).ppt

第五章 标量处理机 5.3 超标量与超流水处理机 指令级并行度ILP：每个时钟周期执行的指令条数。 一、超标量处理机 1．普通标量处理机--只有一条流水线，每个时钟周期只有一条指令流入流水线。 分为两种类型。 （1） 单操作部件流水线处理机 ILP1 5.3 超标量与超流水处理机 （2） 多操作部件流水线处理机 ILP1 5.3 超标量与超流水处理机 2．单发射与多发射处理机 （1） 单发射处理机——只有一套指令部件（取指部件和译码部件），并且每个时钟周期只取一条指令，只对一条指令进行译码。 5.3 超标量与超流水处理机 单发射处理机，ILP1 5.3 超标量与超流水处理机 （2） 多发射处理机——有多套（m）指令部件（取指部件和译码部件），能在每个时钟周期同时取出多条指令，并同时对多条指令进行译码。 5.3 超标量与超流水处理机 mILP1 5.3 超标量与超流水处理机 超标量处理机： 通常，把一个时钟周期内能够同时发射多条指令的处理机称为超标量处理机。超标量处理机最基本的要求是必须有两套或两条以上完整的指令执行部件。上图是典型超标量处理机的指令流水线，为了能够在一个时钟周期内同时发射多条指令，超标量处理机必须有两条或两条以上能够同时工作的指令流水线。 目前，在多数超标量处理机中，每个时钟周期发射两条指令，通常不超过4条。由于存在有数据相关和条件转移等问题，采用一般的指令调度技术，理论上的最佳情况是每个时钟周期发射3条指令。对大量程序的模拟统计结果也表明，每个时钟周期发射2至4条指令比较合理。例如，Intel公司的i860、i960、Pentium处理机， 5.3 超标量与超流水处理机 Motolora公司的MC88110处理机，IBM公司的Power 6000处理机等每个时钟周期都发射两条指令；美国德州仪器公司（TI）为SUN公司生产SuperSPARC处理机每个时钟周期发射三条指令。 （3） 超标量处理机指令调度要解决的问题 ·数据相关 ·控制相关 ·功能部件冲突 3．多发射流水线的调度问题（例子说明） 先看例子： 5.3 超标量与超流水处理机 5.3 超标量与超流水处理机 共需10个周期。有8个空闲周期，其中4个是为了保证指令的顺序发射顺序完成。 5.3 超标量与超流水处理机 （2） 顺序发射乱序完成 5.3 超标量与超流水处理机 （3） 乱序发射乱序完成 (采用p326先行指令窗口) 5.3 超标量与超流水处理机 4．资源冲突 （1） 什么是资源冲突？ （2） 如何减少资源冲突 操作部件采用流水线结构 5.3 超标量与超流水处理机 二、超流水线处理机 1．什么是超流水线处理机 在前面介绍的一般标量流水线处理机中，通常把一条指令的执行过程分解为“取指令”、“译码”、“执行”和“写回结果”4级流水线。如果把其中的每级流水线再细分，例如，再分解为两级延迟时间更短的流水线，则一条指令的执行过程就要经过8级流水线。这样，在一个基本时钟周期内就能够“取指令”两条，“译码”、“执行”和“写回结果’各两条指令。这种在一个基本时钟周期内能够分时发射多条指令的处理机称为超流水线处理机。在有些资料上把指令流水线的级数为8级或超过8级的流水线处理机称为超流水线处理机。 超流水线处理机的工作方式与上一节中介绍的超标量处理机不同，超标量处理机是通过重复设置多个“取指令”部件，设置多个“译码”、“执行”和“写回结果”部件，并且让这些功能部件同时工作来提高指令的执行速度，实际上是以增加硬件资源为代价来换取处理机性能的；而超流水线处理机则不同，它只需要增加少量硬件，是通过各部分硬件的充分重叠工作来提高处理机性能的。从流水线的时空图上看，超标量处理机采用的是空间并行性，而超流水线处理机采用的是时间并行性。 5.3 超标量与超流水处理机 2．指令执行时序 一台并行度ILP为n的超流水线处理机，它在一个时钟周期内能够分时发射n条指令。但这n条指令不是同时发射的，而是每隔1/n个时钟周期发射一条指令。因此，实际上超流水线处理机的流水线周期为1/n个时钟周期。一台每个时钟周期分时发射2条指令的超流水线处理机的指令执行时空图如下图所示。 5.3 超标量与超流水处理机 3．典型结构 在早期生产的计算机中，巨型计算机CRAY-1和大型计算机CDC－7600属于超流水线处理机，其指令级并行度n=3。在目前大量使用的微处理器中，只有SGI公司的MIPS（microprocessor without Interlocked piped sta