11计算机系统结构20.ppt

第一章 内容回顾 并行技术是提高计算机性能的有效方法，途径有： 时间并行--流水线技术 资源重复（空间并行） 时间+空间 资源共享 本节将介绍流水线的概念和设计原理、表示方法、性能分析、参数计算和实现方法。 重点: 性能分析和参数计算 2.1 流水线技术 流水线技术是体系结构研究的主要内容之一。是实现系统结构平衡和提高系统性能的一种有效技术。 流水线的基本概念 表示方法和设计原理 流水线特点 汽车装配中，被装配汽车在流水线终端不断地输出。 管道中，原料在流水线起点送入，产品在流水线的终端不断地送出。 设备流水线、医院体检等 流水线技术应用于生产和生活的各个方面…. 主要思想：把一个复杂过程分解为若干个子过程，使每个子过程并行进行。即在一个任务完成前，开始一个新任务。完成任务的平均速度只取决于提供新任务的速度，与完成一个任务所需要的全部处理时间无关。 流水线的基本概念 实现流水线技术基础是“部件功能专用化”. 1 把一件工作按功能分割为若干相互联系的部分; 2 每一部分指定给专门部件完成；每个专门部件完成同一类工作. 3 把各部分执行过程进行（时间）重叠； 4 所有部件依次分工完成一件工作。 流水线技术不增加或仅增加少量硬件。是经济、有效的并行处理技术。 流水线技术广泛采用在很多领域。 流水线的级 计算机的各个部分几乎都可采用流水线技术，流水线有不同的层次或级。 指令执行过程采用流水线，称为指令流水线。 操作部件采用流水线，如浮点加法器、浮点乘法器等，称为操作部件流水线. 访问主存部件采用流水线，称为访存部件流水线。 多个计算机之间采用流水线，通过存储器连接，称为宏流水线。 流水线中每一个阶段，称为一个流水（阶）段。 如指令流水线中，每一流水段完成一条指令的一部分，多个流水段并行完成不同指令的不同部分。 指令的重叠执行 指令流水线中，每一流水段完成一条指令的一部分 顺序执行特点 处理机中只有一条指令执行：只有上一条指令全部执行完后，下一条指令才能开始执行。 优点：控制简单，节省设备。 缺点：速度慢，效率（功能部件利用率）低。 为实现多条指令在处理机中同时进行，可采用多指令重叠执行方式。 指令的重叠执行 指令重叠执行——多种重叠方式。 1） 一次重叠方式：”执行”第k条指令与“取指”第k＋１条指令同时进行（一次重叠）。 如执行一条指令的3个阶段时间均相等，则执行n条指令所用时间为： 指令的重叠执行 2） 二次重叠执行方式：第k条执行指令、k+1条分析指令与k+2条取指令同时进行。如执行一条指令的3个阶段时间相等，则执行n条指令的时间为： [例题] 设一条指令的执行过程分为取指令、指令分析、指令执行三个子过程，且这三个子过程延迟时间相等并 t 。 假设某过程共有 n=1000 条指令，问三种情况下机器执行程序所需时间和加速比。 （1） 指令顺序执行方式； （2） 一次重叠执行方式； （3） 二次重叠执行方式。 解： （1）顺序执行方式 T1 = 3 ×n×t = 3000t （2）一次重叠执行方式 T2 = （2n+1）t = （2×1000+1）t = 2001t （3）二次重叠执行方式 T3 = （n+2）t = （1000+2）t = 1002t （4） T1 T2 T3 加速比 ： s1=1 s2=3000/2001=1.5 S3=3000/1002=3.0 流水线的表示方法? 连接图：流水线各个阶段依次相连，每个流水段完成一条指令的同一部分。 分为取指令、译码、执行、存结果4个流水段。 同一指令从左端向右，依次执行。总时间为4个流水段时间 实际流水线特点? 流水线各功能段的时间应尽量相等，否则将堵塞、断流。 流水线时钟周期不能快于最慢的流水段。 执行时间最长的流水段通常为整个流水线的瓶颈。 瓶颈是流水线设计中主要问题。 流水线中处理任务通常是连续性的。不断地提供同一种任务时才能发挥流水线的效率。 流水线每一个功能段部件后面要有一个缓冲器（锁存器），图2.8，保存本流水段的结果. 流水线的实质是把一个大的功能部件分解为多个小的功能部件，依靠多个功能部件的并行工作来缩短执行时间。 与资源重叠相比，流水线技术是一种经济的并行技术。 流水线的特点?  ?流水线有装入时间和排空时间。 装入时间: 第一个任务进入流水线到输出流水线的时