计算机系统结构第五篇 章 输入输出系统.ppt

第五章 标量流水线技术(P253); 本章学习标量计算机上使用的流水加速技术。主要内容有流水技术的分类、流水线性能指标计算、非线性流水线的调度算法。 标量计算机指只能直接进行标量运算的计算机，与能够直接进行向量运算的向量计算机相对应。 流水处理方式的特征，是让多个依次启动的任务，尽量同时使用系统的不同部件，通过时间重叠来提高处理速率。这种技术理论上不增加成本。 标量计算机上使用的流水加速技术属于指令级并行技术。 每条指令的处理过程，可以划分为取指、译码、取数、运算、送结果5个子过程，也可以分得更细或更粗一些。划分的原则是各部分时间长度大致相等、并使用CPU中不同的部件，这样才有利于多任务重叠处理。;基本名词术语（P253） 标量处理机，超标量处理机：标量处理机指只能进行标量运算的处理机，超标量处理机指能在一个时钟周期内同时发射多条指令的处理机； 指令级并行技术：指能使多条指令并行执行的技术，包括流水技术、多操作部件技术和超长指令字技术； 流水线处理机，超流水线处理机：流水线处理机指用流水作业方式并行解释多条指令的处理机，超流水线处理机指能在一个时钟周期内分时发射多条指令的处理机； 超长指令字技术VLIW：指让一条指令包含多个独立的操作字段，并且分别控制多个功能部件并行工作的技术。;先行控制（look-ahead）技术最早在IBM公司研制的STRETCH机器中采用。目前，许多处理机中都已经采用了这种技术，包括超流水处理机和超标量处理机等。 先行控制技术的关键是缓冲技术和预处理技术，以及两者的结合。 缓冲技术是在工作速度不固定的两个功能部件之间设置缓冲栈，用以平滑它们的工作。 预处理技术是把进入运算器的指令都处理成寄存器－寄存器（RR型）指令，为进入运算器的指令准备好所需要的全部操作数。;采用先行控制方式的处理机结构;2003.3.1;5.2.2 流水技术 ;5.2.3 流水线工作原理 流水线方式是把一个复杂的过程分解为若干个子过程，每个子过程与其他子过程同时进行。 处理机解释程序的方式有顺序方式、重叠方式、流水方式等。 顺序方式是解释完一条指令再开始解释下一条（P254）； 流水方式是把一个重复的过程分解为若干个子过程，每个子过程 可以与其它子过程同时进行，以此提高单位时间内解释 指令的数目（P277）； 重叠方式是一种简单的流水方式，它把指令分成2个子过程，每条 指令只与下一条指令相重叠（P255）。; 重叠方式流水线; 流水线结构图（P278）;2003.3.1; 5.2.4 流水线的特点;5.3 流水技术的分类(P280);衡量流水线的主要指标有吞吐率，加速比和效率。 5.4.1 吞吐率TP（P285） 吞吐率（TP ── ThroughPut）指流水线在单位时间内执行的任务数，可以用输入任务数或输出任务数表示。 其中k表示流水线划分的段数。 当满足 条件时，有 。; S4 1 2 3 4 … … N-1 N S3 1 2 3 4 … … N-1 N S2 1 2 3 4 … … N-1 N S1 1 2 3 4 … … N-1 N 时间 K×T (N-1)×T N×T (K-1)×T Tk ; 流水线产生n个结果所需要的时间： 实际吞吐率： 最大吞吐率： 最大吞吐率与实际吞吐率的关系： ; 实际吞吐率： 最大吞吐率： ;5.4.2 加速比（即吞吐率之比，P288）; 段效率： ， 各段平均效率： 其中 表示第i段设备量占整条流水线全部设备量的百分比。 当满足 条件（即