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高等计算机系统结构 第一章 并行计算机模型 第二章 程序划分与调度 第三章 系统互连与通信 第四章 可扩展性能原理 第五章 并行存储器系统 第六章 高速缓存与共享存储器 第七章 指令级并行处理 第八章 标量处理机与向量处理机 第九章 并行模型、语言与编译器 第十章 并行程序设计与开发 第八章 标量处理机与向量处理机 标量处理机 只有标量数据表示和标量指令系统的处理机称为标量处理机 提高指令执行速度的主要途径：(1) 提高处理机的工作主频(2) 采用更好的算法和设计更好的功能部件(3) 采用指令级并行技术 三种指令级并行处理机：(1) 流水线处理机和超流水线(Super-pipelining)处理机(2) 超标量(Superscalar)处理机(3) 超长指令字(VLIW: Very Long Instruction Word)处理机 第八章 标量处理机与向量处理机 8.1 流水线技术 8.2 超标量处理机 8.3 超流水线处理机 8.4 超标量流水线处理机 8.1 流水线技术 什么是流水线？ 考虑设计一个洗衣机的工作流程，假定它有三道工序：洗涤、清洗、甩干。每个环节为5分钟。 需要完成的任务为3批，则考虑下述工作方式的工作效率： 第一种：串行工作方式，即按照如下方式工作： 包含以下内容： 指令的重叠执行 流水线的表示方法 流水线的特点 流水线的性能分析 流水线最佳段数的选择 非线性流水线技术 指令的重叠执行方式 1、顺序执行方式 一条指令的执行过程：取指令-分析-执行 执行n条指令所用的时间为： 如每段时间都为t，则执行n条指令所用的时间为：T=3nt 主要优点：控制简单，节省设备。 主要缺点：执行指令的速度慢，功能部件的利用率很低。 2、一次重叠执行方式(一种最简单的流水线方式) 如果两个过程的时间相等，则执行n条指令的时间为：T=(1+2n)t 主要优点：指令的执行时间缩短功能部件的利用率明显提高 主要缺点：需要增加一些硬件控制过程稍复杂 3、二次重叠执行方式 把取第k+1条指令提前到分析第k条指令同时执行 如果三个过程的时间相等，执行n条指令的时间为：T=(2+n)t 理想情况下同时有三条指令在执行 处理机的结构要作比较大的改变，必须采用先行控制方式 流水线的表示方法 流水线的表示法有三种：连接图、时空图、预约表。主要考虑前二种。 1、简单流水线的连接图表示 流水线的每一个阶段称为流水步、流水步骤、流水段、流水线阶段、流水功能段、功能段、流水级、流水节拍等。一个流水阶段与另一个流水阶段相连形成流水线。指令从流水线一端进入，经过流水线的处理，从另一端流出。 有些复杂指令 在执行阶段也采用流水线方式工作，称为操作流水线。 2、一种指令流水线 一般4至12个流水段，等于及大于8个流水段的称为超流水线处理机 3、流水线的时空图 采用“时空图”表示流水线的工作过程。 一条简单流水线的时空图： 一个浮点加法器流水线的时空图(由求阶差、对阶、尾数加和规格化4个流水段组成)： 流水线的主要特点 在流水线的每一个功能部件的后面都要有一个缓冲器，称为锁存器、闸门寄存器等，它的作用是保存本流水段的执行结果。 各流水段的时间应尽量相等，否则会引起阻塞、断流等。 只有连续提供同类任务才能充分发挥流水线的效率。 在流水线的每一个流水线段中都要设置一个流水锁存器。 流水线需要有“装入时间”和“排空时间”。只有流水线完全充满时，整个流水线的效率才能得到充分发挥。 线性流水线的性能分析 衡量流水线性能的主要指标有：吞吐率、加速比和效率 1、吞吐率（Though Put） 求流水线吞吐率的最基本公式： TP = n / Tkn为任务数, Tk为完成n个任务所用时间 各段执行时间相等，输入连续任务情况下完成n个连续任务需要的总时间为： Tk= (k+n-1) Dt k为流水线的段数，Dt为时钟周期 吞吐率：最大吞吐率为： 各段执行时间不相等、输入连续任务情况下：吞吐率为： 最大吞吐率为： 流水线各段执行时间不相等的解决办法 一是将“瓶颈”流水段细分(如果可分的话)： 二是将 “瓶颈”流水段重复设置： 2、加速比（Speedup） 计算流水线加速比的基本公式：S = 顺序执行时间T0 / 流水线执行时间Tk 各段执行时间相等，输入连续任务情况下加速比为：  最大加速比为： 各段执行时间不等，输入连续任务情况下实际加速比为： 3、效率（Efficiency） 计算流水线效率的一般公式： 各流水段执行时