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1.并行的两种含义： （1）同时性，指两个以上事件在同一时刻发生 （2）并发性，指两个以上事件在同一时间间隔内发生 2.计算机并行处理技术的三个步骤和阶段： （1）时间并行 — 时间重叠 （2）空间并行 — 资源重复 （3）时间并行＋空间并行 — 时间重叠和资源重复的综合应用。 “流水线”方式是把指令处理分隔成若干个阶段，每个阶段都有独立的部件来处理，当一条指令的某个处理阶段完成后，它就进入下一处理阶段，而独立的处理部件就可立即处理下一条指令。 1.流水计算机的系统组成 （如右图所示） 图5.32 流水计算机系列组成原理示意图 2. 流水CPU时空图 假设指令周期包含四个子过程：IF、ID、EX、WB 3.流水线分类 （1）处理机级的流水线称为指令流水线，指指令步骤的并行，即把一条指令的执行过程分解为多个子过程，每个子过程在一个独立的功能部件中完成。 （2）功能部件级的流水线称为算术流水线，指运算步骤的并行。 求阶差 对阶 尾数加 规格化 入 出 浮点加法器流水线 （3）处理机间的流水线称为宏流水线，指程序步骤的并行。 存储器1 处理 机1 存储器2 处理 机2 存储器n 处理 机n … 任务1 任务2 任务n 流水线的特点 流水线实际上是把一个功能部件分解成多个独立的子功能部件（一个任务也就分成了几个子任务，每个子任务由一个子功能部件完成），并依靠多个子功能部件并行工作来缩短所有任务的执行时间。 流水线有助于提高整个程序（所有任务）的吞吐率，但并没有减少每个指令（任务）的执行时间。 流水线各个功能段所需时间应尽量相等。否则，时间长的功能段将成为流水线的“瓶颈”，会造成流水线的“阻塞”。 流水线开始需要“通过时间” 和最后需要“排空时间” 。流水线只有处理连续不断的任务才能发挥其效率。 所谓相关是指在一段程序的相近指令之间有某种关系，这种关系可能影响指令的并行执行。 1. 资源相关：指多条指令进入流水线后在同一机器时钟周期内争用同一个功能部件发生的冲突。 解决办法：后边指令拖一拍再推进；增设一个功能部件 。 表5.2 两条指令同时访存发生资源冲突 2. 数据相关：在一个程序中，如果必须等前一条指令执行完毕后，才能执行后一条指令。 数据相关有： RAW 、WAW 、WAR RAW ：后面指令用到前面指令所写的数据 。 WAW：两条指令写同一个单元 。 WAR ：后面指令覆盖前面指令所读的单元。 解决办法： 可以推后后继指令对相关单元的读操作 设置相关的直接通路 例： ADD R1,R2,R3 ；（R2）＋（R3）→ R1 SUB R4,R1,R5 ；（R1）－（R5）→ R4 AND R6,R1,R7 ；（R1）^（R7） → R6 表5.3 两条指令会发生数据相关冲突 3.控制相关：指因为程序的执行方向可能被改变而引起的相关。 解决办法：延迟转移法，转移预测法 I1 ADD R1,R2,R3 I2 SUB R4,R1,R5 I3 STO M(x),R3 I4 ADD R3,R4,R5 I5 MUL R3,R1,R2 I6 ADD R3,R4,R5 （1） （2） （3） 例4： R2＋R3→R1 R1－R5→R4 RAW R3→M(x) R4＋R5→R3 WAR R1×R2→R3 R4＋R5→R3 WAW 1.Pentium的技术性能 （1）Pentium是超标量流水处理器 （2）Pentium是32位微处理器 （3）CPU外部地址总线宽度是36位，但一般使用32位。 （4）采用U和V两条指令流水线 （5）具有非固定长度的指令格式，9种寻址方式，191条指令，每个时钟周期能执行两条指令。 图5.34 Pentium CPU结构框图 2.奔腾CPU的结构框图 Pentium的超标量流水线 5级指令流水线，每级1个时钟周期 ? PF ?? 指令预取 ? D1 ?? 指令译码1 对所有操作码和寻址方式信息进行译码 ? D2 ?? 指令译码2 将操作码扩展为ALU的控制信号，存储器地址计算 ?EX ?? 指令执行 完成ALU操作和Cache存取 ?WB ?? 回写 更新在EX步骤得到的寄存器数据和状态标志 Pentium的超标量流水线 5级流水线，后3级可以在两个流水线同时进行 指令预取PF和指令译码步骤可以并行取出、译码两条简单指令，然后分别发向U和V流水线 在满足指令配对的条件下，Pentium可以每个时钟周期执行完两条简单的整数指令 V流水线 U流水线 地址生成 地址生成 指令预取PF 指令译码和配对 执行EX