41指令级并行的概念
计算机系统结构第4章指令级并行及限制
2
4.1.1 指令级并行
1、流水线处理机的实际CPI
– 理想流水线的CPI加上各类停顿的时钟周期数：
CPI流水线 = CPI理想 + 停顿结构冲突 + 停顿数据 冲突 + 停顿控制冲突 – 理想CPI是衡量流水线最高性能的一个指标。 – IPC：Instructions Per Cycle （每个时钟周期完成的指令条数）
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(1) 展开后没有调度的代码
流出时钟 F0,0(R1) 1 2 F4,F0,F2 3 4 5 0(R1),F4 6 F6,-8(R1) 7 8 F8,F6,F2 9 10 11 -8(R1),F8 12 F10,-16(R1) 13 14 流出时钟 F12,F10,F2 16 17 -16(R1),F12 F14,-24(R1) 19 20 F16,F14,F2 22 23 -24(R1),F16 24 R1,R1,#32 25 26 R1,Loop 27 28
一个元素的操作时间从10个时钟周期减少到6个 5个周期是有指令执行的，1个空转周期。
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（Ⅱ） (1) 首先，仅仅去除4遍循环体中的分支指令，得到以下 由17条指令构成的指令序列，如下所示：
Loop: LD F0 , 0(R1) ADD.D F4 , F0 , F2 SD 0(R1) , F4 SUBI R1 , R1 , #8 LD F0 , 0(R1) ADD.D F4 , F0 , F2 SD 0(R1) , F4 SUBI R1 , R1 , #8 LD F0 , 0(R1) ADD.D F4 , F0 , F2 SD 0(R1) , F4 SUBI R1 , R1 , #8 LD F0 , 0(R1) ADD.D F4 , F0 , F2 SD 0(R1) , F4 SUBI R1 , R1 , #8 BNEZ R1 , Loop
三门定律解析
三门定律解析
三门定律是由美国数学家John von Neumann提出的概念，指的是计算机科学领域中的三个重要原则。
这些原则用于评估和优化计算机系统中的性能和效率。
1.指令级并行（Instruction-Level Parallelism）：这个原则指的是在执行指令时，同时利用多种处理器资源。
它包括了指令流水线、超标量和超流水线等技术。
指令级并行性可以加快计算机处理速度，通过同时执行多条指令来提高效率。
2.数据级并行（Data-Level Parallelism）：这个原则关注的是同时处理多个数据元素的能力。
它包括向量处理、多处理器系统等技术。
通过同时处理多个数据，可以提高计算机系统的效率。
3.任务级并行（Task-Level Parallelism）：这个原则指的是同时处理多个独立的任务或者进程。
它包括了多线程、分布式系统等技术。
任务级并行性可以提高系统的吞吐量，使得计算机能够同时处理多个任务。
三门定律强调了并行性在计算机系统中的重要性。
它们代表了不同层次上的并行化原则，通过同时处理多个指令、数据或任务来提高计算机系统的效率和性能。
然而，并行化也面临着一些挑战，比如资源竞争、数据一致性等问题需要被有效地解决。
第 4 章 指令级并行
• 解决了结构相关和WAW相关。
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• 2.读操作数（Read Operand, 记RO）：如果前面 已流出的正在运行的指令不对本指令的源操作数 寄存器进行写操作，或者一个正在工作的功能部 件已经完成了对这个寄存器的写操作，那么此操 作数有效。整个检测工作由记分牌完成。当操作 数有效后，记分牌告诉功能部件读操作数并开始 执行。
硬件＋软件技术
必须要硬件技术和软件技术互相 配合，才能够最大限度地挖掘出程 序中存在的指令级并行。
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1.流水线处理机的实际CPI
–理想流水线的CPI加上各类停顿的时钟周 期数：
CPI流水线 = CPI理想 + 停顿结构冲突 + 停顿数据冲突 + 停顿控制冲突
– 理想CPI是衡量流水线最高性能的一个指标。 –IPC：Instructions Per Cycle
（每个时钟周期完成的指令条数）
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2.基本程序块
– 基本程序块：一段除了入口和出口以外 不包含其他分支的线性代码段。
– 程序平均每5～7条指令就会有一个分支。 循环级并行：使一个循环中的不同循环体 并行执行。 – 开发循环体中存在的并行性
• 最常见、最基本 – 是指令级并行研究的重点之一
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流水线动态调度的优点
• (1)能处理某些在编译时无法知道的相 关情况。
• (2)能简化编译程序设计。 • (3)使代码有可移植性。 • 动态调度方法的主要缺点是硬件较为复
浙江工商大学计算机体系结构第2章 指令级并行及其开发
2.1 指令级并行概念
数据相关
相关有三种不同的类型：数据相关、名字相关和 控制相关
数据相关，也称为真数据相关，比如有两条指 令j和i，指令j可能会引用指令i的结果或指令j 数据相关于指令K，而指令k数据相关于指令i ，则称指令j数据相关于指令i
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2.1 指令级并行概念
数据相关
数据相关的两条指令是不能同时执行或完全重叠的，相 关意味着在两条指令之间可能可能存在一条由一个或多 个数据冒险组成的相关链（见附录A）；同时执行数据相 关的指令会使内部互锁流水线的处理器检测到冒险，造 成停顿，从而减小甚至消除指令间的重叠度
数据相关传递三方面的信息：1）数据相关表明 存在冒险的可能，2）数据相关决定了必须遵循 的执行顺序，3）数据相关决定了可以达到并行 度的上限
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2.1 指令级并行概念
名字相关
名字相关发生在使用相同存储器或存储单元（称为名字 ）的两条指令之间，但名字相关的指令间不存在数据流 ，名字相关有两种类型（假设指令i位于指令j之前）： 1、反相关 指令 i 读一个寄存器或存储单元，而指令j写该寄存器或 存储单元，必须保护原始的指令执行顺序。 2、输出相关 指令i和指令j写相同的寄存器时，为了保证该寄存器的值 最后是由指令j写入的，必须保护指令的执行顺序。
指令级并行方法分为两类：一种依赖于硬件，动 态地发现和开发指令级并行；另一种依赖于软件 技术，在编译阶段静态地发现并行。前一种占主 导地位，后一种局限于科学或特定领域。
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2.1 指令级并行概念
循环级并行
为了提高指令级并行，最常用的方法是将一个 循环中的各次迭代并行执行，通常将这类并行称 为循环级并行。
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2.4 采用动态调度克服数据冒险
计算机体系结构第四章-1
4.2 指令的动态调度
➢ 在前面的基本流水线中：指令在译码阶段判断相关关 系。
ID
检测结构冲突 检测数据冲突
• 一旦一条指令受阻，其后的指令都将停顿。
4.2 指令的动态调度
动态调度的基本思想是前面指令的阻塞不影响后面的 指令的继续前进。具体做法是流水线的译码阶段再分为 两个阶段：
流出(Issue, IS)：指令译码，并检查结构冲突。(inorder issue) 读操作数（Read Operands, RO）：等待数据冲突消 失(如果有冲突)，然后读操作数。(out of order execution)
前提：在乱序流动的流水线中。
不足：可能会产生新的WAR或WAW冲突。
（3）控制冲突：
• 预测分支失败 • 预测分支成功
（编译器）
• 延迟转移技术
静态调度
4.2 指令的动态调度
静态调度
➢ 依靠编译器对代码进行静态调度，以减少相关和冲突。 ➢ 它不是在程序执行的过程中，而是在编译期间进行代码
调度和优化。 ➢ 通过把相关的指令拉开距离来减少可能产生的停顿。
即原来程序中是怎么发生的，改变执行顺序后还是怎 么发生。 弱化为：指令执行顺序的改变不能导致程序中发生新 的异常。
4.2 指令的动态调度
4.2 指令的动态调度
关键知识回顾： 1. 相关 相关是指两条指令之间存在某种依赖关系，是程序固有的一种
属性。 相关包括：名相关，数据相关，控制相关。 2. 冲突（ HAZARDS，也称为冒险） 冲突是指由于相关的存在，使得指令流中的下一条指令不能在
指定的时钟周期执行。 具体一次相关是否会导致实际冲突的发生以及该冲突会带来多
长的停顿，则是流水线的属性。 流水线冲突包括：结构冲突，数据冲突，控制冲突。
《计算机系统结构》指令级并行及限制 (2)
3
答案肯定是NO. 因此如果要避免暂停流水线，一个相关指令的执行必须和 被相关的前一条指令的要分开，分开的时钟周期需至少等 于被相关的指令的流水线延迟。
例如： load r1, 100(r2);若顺序执行，则这两条指令之间 必须暂停一个时钟周期。
add r3, r1, 也r4可在这两条指令之间插入一条 非数据相器换名，消除读后写和写后写。
F0、F4：用于展开后的第1个循环体；
F2：保存常数；
F6和F8：用于展开后的第2个循环体； F10和F12：用于第3个循环体；
数据冒险
F14和F16：用于第4个循环体。
Loop:
LD F0 , 0(R1) ADD.D F4 , F0 , F2 SD 0(R1) , F4 LD F0 , -8(R1) ADD.D F4 , F0 , F2 SD -8(R1) , F4 LD F0 , -16(R1) ADD.D F4 , F0 , F2 SD -16(R1) , F4 LD F0 , -24(R1) ADD.D F4 , F0 , F2 SD -24(R1) , F4 SUBI R1 , R1 , #32 BNEZ R1 , Loop
延迟时钟周期数 3
浮点数据存操作（SD）
2
浮点计算
1
浮点数据取操作（LD） 浮点数据存操作（SD）
0
指令流入时钟
Loop: LD F0 , 0(R1) 1
（空转）
2
ADD.D F4 , F0 , F2 3
（空转）
4
（空转）
5
SD 0(R1) , F4 6
SUBI R1 , R1 , #8 7
（空转）
如Intel的Pentium系列采用动态调度；Intel的Itanium（ 用于科学领域和特殊应用）采用静态调度。在RISC机器中，指令 系统支持编译优化，其编译器都会采用静态调度方式，有的也同 时采用动态调度。
指令级并行
指令级并行我们知道,要从系统结构上提高计算机的性能,就必须设法以各种方式挖掘计算机工作的并行性。
并行性又有粗粒度并行性(coarse-grained parallelism)和细粒度并行性(fine-grained parallelism)之分。
所谓粗粒度并行性是在多处理机上分别运行多个进程,由多台处理机合作完成一个程序。
所谓细粒度并行性是在一个进程中进行操作一级或指令一级的并行处理。
这两种粒度的并行性在一个计算机系统中可以同时采用,在单处理机上则用细粒度并行性。
指令级并行概念指令级并行（Instruction-Level Parallelism, ILP），是细粒度并行，主要是相对于粗粒度而言的。
顾名思义，指令级并行是指存在于指令一级即指令间的并行性，主要是指机器语言一级，如存储器访问指令、整型指令、浮点指令之间的并行性等，它的主要特点是并行性由处理器硬件和编译程序自动识别和利用，不需要程序员对顺序程序作任何修改。
正是由于这一优点，使得它的发展与处理器的发展紧密相连。
指令级并行技术突破了每个时钟周期完成一条指令的框框,做到在单处理机上每个时钟周期能完成的指令数平均多于一条。
我们已知道,向量处理机进行的是细粒度的并行处理,它在处理向量时由于采用了流水线,多功能部件河链接技术,能够做到每个时钟周期完成多个操作,相当于多条指令。
但它在处理标量时,效率将大大降低,有时甚至还不及一个普通的通用计算机。
现在几种新的系统结构设计,其基本思想是要挖掘指令级并行,使单处理机达到一个时钟周期完成多条指令。
指令级并行性的含义可用下面的例子来说明:(1)Load C1←23(R2)Add R3←R3+1FPAdd C4←C4+C3并行度=3(2)Add R3←R3+1Add R4←R3+R2Store R0←R4并行度=1上例中,(1)的三条指令是互相独立的,它们之间不存在数相关,所以可以并行执行。
反之,(2)的三条指令中,第2条要用到第1条的结果,第3条要用到第2条的结果,它们都不能并行执行。
第四章 指令级并行
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消除名相关 引入两个临时寄存器S和T 把这段代码改写为： DIV.D F0，F2，F4 ADD.D S，F0，F8 S.D S，0（R1） SUB.D T，F10，F14 两个F8都换 名为T MUL.D F6，F10，T
两个F6都换 名为S
基于Tomasulo算法的MIPS处理器浮点部件的基本结构
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§ 4.2 指令的动态调度
存储器总线 指令分析部件 CDB F7 F6 F5 F4 F3 F2 F1 控制 站号 后行写数站 译 码 器
控制总线 FLB 总线 FLR 总线 CDB
6 5 4 3 2 FLB1
先行读数站 (FLB)
控制
先行操作站 (FLOS)
忙位 站号
通用寄存器 (FLR)
1
10/8
6
§ 4.1 指令级并行
可以从两个方面来解决相关问题：
保持相关，但避免发生冲突。 通过代码变换，消除相关。
可以将冲突检测和相关处理分开进行
程序顺序：
由源程序确定的在完全串行方式下指令的执行顺序。
必须保持程序顺序
改变程序执行顺序是否影响到程序的正确性？
7
§ 4.1 指令级并行 对于正确地执行程序来说，必须保持的最关键的两个属 性是：数据流和异常行为。
第四章
指令级并行
§4.1 指令级并行的概念
指令之间存在的潜在并行性称为指令级并行。 （ILP：Instruction-Level Parallelism） 流水线使指令重叠并行执行，可以达到提高性能的目的。 如果指令间没有相关性，可以并行执行 程序中存在潜在的指令间并行 需要相应的硬件支持 故指令级并行： 硬件＋软件技术 硬件技术和软件技术互相配合，通过各种可能的技术， 最大限度地挖掘出程序中存在的指令级并行。
《计算机系统结构》指令级并行及限制 (1)
21
如果分支预测正确则此分支执行完毕。一些机器称这
个过程为完成（Completion或Graduation）。 当预测错误的分支指令到达ROB的出口时，将指出前
➢对于SPEC89基准测试程序，使用有4096个入口的转移 预测缓存会获得82%-99%的准确率。此外，一个有4K个 入口的缓存与一个无限大的缓存相比，在准确率上差 不多。
10
2. 转移目标缓存
为了减小流水线的转移代价，必须确定当前正在译 码的指令是否是转移指令，如果是，那么下一条指令的 地址是什么。如果是转移指令且知道下一条指令的地址， 那么就可以将转移代价降为0。把为转移的后继指令保 存预测地址的转移预测Cache称为转移目标缓存或转移 目标Cache。
通常将指令由前瞻转化为非前瞻这一步骤加到执行阶段 以后，称为指令的确认（Instruction commit）。
实现前瞻的关键思想是：
允许指令乱序执行，但必须顺序确认。只有确认以后的 结果才是最终的结果，从而避免不可恢复的行为，如更新机 器状态或执行过程发生异常。
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加入前瞻后，需要将指令的执行和指令的确认区分开， 允许指令在确认之前就执行完毕。
➢通常使用2bit预测法来弥补这个缺陷，在这种预测法中，
仅当错误两次时才改变预测方向，图为2bit预测法的有限
状态机。
转移 被选中
转移未 被选中
预测转移被选中 11
转移 被选中
预测转移不被选中 01
转移 被选中
预测转移被选中 10
指令级并行
指令级并行我们知道,要从系统结构上提高计算机的性能,就必须设法以各种方式挖掘计算机工作的并行性。
并行性又有粗粒度并行性(coarse-grained parallelism)和细粒度并行性(fine-grained parallelism)之分。
所谓粗粒度并行性是在多处理机上分别运行多个进程,由多台处理机合作完成一个程序。
所谓细粒度并行性是在一个进程中进行操作一级或指令一级的并行处理。
这两种粒度的并行性在一个计算机系统中可以同时采用,在单处理机上则用细粒度并行性。
指令级并行概念指令级并行（Instruction-Level Parallelism, ILP），是细粒度并行，主要是相对于粗粒度而言的。
顾名思义，指令级并行是指存在于指令一级即指令间的并行性，主要是指机器语言一级，如存储器访问指令、整型指令、浮点指令之间的并行性等，它的主要特点是并行性由处理器硬件和编译程序自动识别和利用，不需要程序员对顺序程序作任何修改。
正是由于这一优点，使得它的发展与处理器的发展紧密相连。
指令级并行技术突破了每个时钟周期完成一条指令的框框,做到在单处理机上每个时钟周期能完成的指令数平均多于一条。
我们已知道,向量处理机进行的是细粒度的并行处理,它在处理向量时由于采用了流水线,多功能部件河链接技术,能够做到每个时钟周期完成多个操作,相当于多条指令。
但它在处理标量时,效率将大大降低,有时甚至还不及一个普通的通用计算机。
现在几种新的系统结构设计,其基本思想是要挖掘指令级并行,使单处理机达到一个时钟周期完成多条指令。
指令级并行性的含义可用下面的例子来说明:(1)Load C1←23(R2)Add R3←R3+1FPAdd C4←C4+C3并行度=3(2)Add R3←R3+1Add R4←R3+R2Store R0←R4并行度=1上例中,(1)的三条指令是互相独立的,它们之间不存在数相关,所以可以并行执行。
反之,(2)的三条指令中,第2条要用到第1条的结果,第3条要用到第2条的结果,它们都不能并行执行。
第四章指令级并行执行与调度
SUB.D指令与DIV.D指令有F4相关， 相关，导致流水线停 顿。 ADD.D指令与流水线中的任何指令都没有关系 指令与流水线中的任何指令都没有关系， ，但也 因此受阻。 因此受阻。
Байду номын сангаас
2
4.2.1 动态调度的基本思想
在前面的基本流水线中：
1. 为了允许乱序执行，我们将5段流水线的译码阶段再分为 两个阶段： 流出（Issue，IS）：指令译码，检查是否存在结构 冲突。（in-order issue)
store缓冲器的作用有 缓冲器的作用有3个：
存放用于计算有效地址的分量 访存的目标地址， 保存正在进行的store访存的目标地址 ，该store正在 等待存储数据的到达； 等待存储数据的到达； 保存该store的地址和数据， 的地址和数据，直到存储部件接收 浮点寄存器FP
消除名相关
引入两个临时寄存器S和T 把这段代码改写为： 把这段代码改写为： DIV.D S.D 两个F8都换名为T SUB.D F0，F2，F4 S，0（R1） T，F10，F14 两个F6都换名为S
ADD.D S，F0，F8
MUL.D F6，F10，T
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4. 基于Tomasulo算法的MIPS处理器浮点部件的基本结构
4.2 指令的动态调度
静态调度
4.2.1 动态调度的基本思想
到目前为止我们所使用流水线的最大的局限性：
依靠编译器对代码进行静态调度， 依靠编译器对代码进行静态调度，以减少相关和冲突 基本思路： 基本思路：通过把相关的指令拉开距离以减少可能产生的停顿。 通过把相关的指令拉开距离以减少可能产生的停顿。
指令必须按序流出和执行 考虑下面一段代码：
操作总线
指令级并行的概念
○ 是指令级并行研究 的重点之一。
指令级并行的概念
4.1 指令级并行的概念
最基本的开发循环级并行的技术
指令调度（scheduling）
A
技术 换名（renaming）技术 C
循环展开（loop
B
unrolling）技术
指令级并行 的概念
通过改变指令在程序中的位置，将相关指 ○ 令之间的距离加大到不小于指令执行延迟，将 ● 相关指令转化为无关指令。 ● 指令调度是循环展开的技术基础。
结构有关。 程序中的相关主要有以下三种
• 数据相关 • 名相关 • 控制相关
1.数据相关 （data
dependence）
指令级并行的概 念
0
对于指令i和指令j，如果
1
一．
指令j使用指令i产生的结果，或者
二．
指令j与指令k数据相关，指令k与指令i数据相
○
关，则指令j与指令i数据相关。
○
数据相关具有传递性。
ADDD F16,F14,F2
8
SD 0(R1),F4
SD -8(R1),F8
SUBI R1,R1,#32
12
SD 16(R1),F12
11
BNEZ R1,Loop
SD 8(R1),F16
14
指令 1 2
5 6
9 10
13
4.1 指令级并行的概念
结果分析：
没有数据相关引起的空转等待 整个循环仅仅使用了14个时钟周期
-8(R1),F8 F10,-16(R1) 13
流出时钟
ADDD 15
（空转） 16
（空转） 17
指令级并行的概念
目 录
• 指令级并行简介 • 指令级并行技术 • 指令级并行应用场景 • 指令级并行面临的挑战与解决方案 • 指令级并行未来展望
01
指令级并行简介
定义与特点
定义
指令级并行是指计算机在执行程序时， 通过同时执行多个指令来提高处理速 度的一种并行处理技术。
特点
指令级并行主要依赖于处理器中的指 令流水线，通过并行执行多个指令， 实现处理速度的提升。
详细描述
超线程技术允许在一个物理处理器核心上同时运行多个线程，从而实现指令级的 并行处理。通过精细的调度和管理，超线程技术可以有效地利用处理器资源，提 高处理器的整体性能。
VLIW（Very Long Instruction Word）技术
总结词
VLIW技术是一种将多个操作码和操作数组合到一个长指令中，由处理器一次执行的方法。
VS
详细描述
EPIC技术强调在编译阶段对程序进行并 行化处理，通过分析程序中的指令关系和 数据依赖关系，自动地生成并行执行的代 码。EPIC技术的目标是最大化处理器的 并行执行能力，从而提高程序的执行效率 。
03
指令级并行应用场景
科学计算
科学计算是利用计算机进行大规模数值计算以解决科学研究 和工程领域中的复杂问题。指令级并行技术可以提高科学计 算的效率和精度，例如在气候模拟、流体动力学模拟、物理 模拟等领域的应用。
指令缓存失效问题
指令缓存失效问题
由于指令的执行结果可能被缓存在缓存中， 当指令并行执行时，缓存失效可能导致指令 重新读取数据，从而影响并行执行的效率。
解决方案
通过缓存行对齐技术，将并行执行的指令对 齐到同一缓存行，以减少缓存失效的次数。 此外，可以使用写回策略来将指令的执行结
《指令级并行概念》课件
向更高级别的并行度发展
异构并行计算
利用不同类型的处理器实现并行计算，如GPU、 FPGA等加速器与CPU的混高级别的并行度发展，如线程级并行和 任务级并行。
并行算法和编程模型的研 究
随着并行计算技术的发展，需要研究更高效 的并行算法和编程模型，以充分利用硬件资 源并降低编程难度。
减少内存访问延迟
通过优化内存访问机制， 减少访问延迟，提高处理 器的性能。
支持多种编程模型
为了满足不同应用的需求 ，指令级并行处理器应该 支持多种编程模型，如向 量编程、消息传递接口（ MPI）等。
03
指令级并行编程模型
指令级并行编程模型的定义
指令级并行编程模型是一种利用现代处理器指令级并行性的编程模型，旨在提高 程序的执行效率。
并行算法设计
指令级并行也应用于并行算法设计，通过优化算法和数据结构，充 分利用处理器资源，提高算法的执行效率。
02
指令级并行处理器的结构
指令级并行处理器的组成
指令译码单元
将取回的指令进行译码，确定 指令的操作码和操作数。
执行单元
负责执行指令，完成相应的操 作。
指令取指单元
负责从内存中取出指令并存放 到指令缓冲区中。
。
超长指令字（VLIW）处理器
03
将多条指令打包成一个超长指令字，由一个控制器来调度和分
配这些指令到不同的执行单元。
指令级并行处理器的设计思路
充分利用硬件资源
通过并行处理技术，使处 理器能够在同一时间内执 行多个操作，从而提高处 理器的性能。
优化指令调度
根据指令的顺序和依赖关 系，合理地分配和调度指 令，以减少等待和冲突， 提高处理器的效率。
《指令级并行概念》ppt课件
《指令级并行概念》课件
包括更快的处理速度、高吞吐量和更高效的内 存利用。
类型
包括数据级并行和控制级并行。
限制和挑战
包括数据冲突、分支预测错误和处理器设计成 本。
ห้องสมุดไป่ตู้
指令级并行的限制和挑战
1
数据冲突
如果两个指令需要相同的资源，就会发生
分支预测错误
2
数据冲突，从而影响并行性和效率。
如果处理器无法正确预测分支，就会浪费
许多资源，从而影响并行性和效率。
3
处理器设计成本
实现指令级并行需要更多的单元和更复杂 的处理器设计，这样会增加处理器的成本。
总结
指令级并行
是一种计算机系统中的性能优化技术。
优化
指令流水线的效率受到数据冲突 和分支预测错误的影响。为了最 大化效率，需要使用一些技术， 如超标量或超线程。
指令级并行的优点
更快的速度
指令级并行可以使处理器同时 执行多个指令，从而加快处理 速度。
高吞吐量
指令级并行可以提高处理器的 吞吐量，从而更快地处理更多 的指令。
高效的内存利用
指令级并行可以更有效地利用 处理器的内存，提高内存带宽。
指令级并行概念
了解指令级并行可以让我们更好地理解计算机系统的性能和设计。在本课程 中，我们将探索指令级并行的定义、类型、优点和限制。
什么是指令级并行？
1 定义
指令级并行是在单个处理 器内同时执行多个指令的 能力。这导致了更快的操 作速度和更高的吞吐量。
2 类型
存在两种指令级并行：数 据级并行和控制级并行。 数据级并行是同时处理多 个数据项，而控制级并行 是控制多个处理器单元的 行为。
3 超标量和超流水线
超标量和超流水线是两种 指令级并行技术。它们使 用多个单元来执行指令， 以获得更高的并行性和性 能。
计算机体系结构指令级并行基础知识详解
计算机体系结构指令级并行基础知识详解计算机体系结构是计算机科学中的一个重要领域，它研究计算机各个组成部分之间的关系和相互作用。
指令级并行是计算机体系结构中的一个重要概念，它可以提高计算机的性能和效率。
本文将详细介绍计算机体系结构指令级并行的基础知识。
一、什么是计算机体系结构指令级并行？计算机体系结构指令级并行是指在计算机指令的执行过程中，同时执行多条指令，以提高计算机的性能和效率。
传统上，计算机执行一条指令需要按照顺序依次执行多个步骤，即取指令、译码、执行、访存和写回。
而指令级并行则允许多个指令的某些步骤并行执行，从而加快指令的执行速度。
二、指令级并行的基本原理1. 流水线技术流水线是指将指令的执行过程分为多个阶段，并使每个阶段同时执行不同的指令。
每个阶段执行完毕后，指令便进入下一个阶段，以此类推。
这样可以使多条指令同时在不同的阶段执行，达到指令级并行的效果。
2. 超标量技术超标量是指在一个时钟周期内，同时发射并执行多条指令。
通过提高处理器的运算能力和硬件资源，可以达到超标量执行多条指令的效果。
三、指令级并行的优势和挑战1. 优势指令级并行可以提高计算机的性能和效率，缩短程序的执行时间。
通过同时执行多条指令，可以充分利用计算机硬件资源，加快指令的执行速度。
2. 挑战指令级并行虽然可以提高计算机的性能，但同时也带来了一些挑战。
例如，指令之间可能存在数据依赖关系，需要解决数据相关性问题。
此外，指令级并行还需要考虑硬件资源分配和调度问题，以充分利用计算机的处理能力。
四、指令级并行的应用指令级并行广泛应用于现代计算机体系结构中。
例如，现代CPU通过流水线和超标量技术实现指令级并行，提高计算机的性能。
同时，指令级并行也被用于并行计算和分布式系统中，以加快任务的执行速度。
五、结论计算机体系结构指令级并行是提高计算机性能和效率的重要手段之一。
通过流水线和超标量技术，可以实现指令的并行执行，加快程序的执行速度。
指令级并行名词解释
指令级并行名词解释
嘿，朋友们！今天咱来聊聊指令级并行呀！这玩意儿就好像是一场精彩的音乐会。
你看哈，在一个计算机程序里，那一条条指令就像是一个个乐手。
平常呢，它们就按部就班地一个一个来演奏。
但有了指令级并行，那就不一样啦！这就好比这些乐手突然之间有了默契，能同时演奏不同的乐章，而且还配合得特别好，一点儿都不混乱。
咱想想，如果乐手们都只能一个接一个地演奏，那这场音乐会得多无趣呀，得等老半天才能听到完整的旋律。
但有了指令级并行，就像一下子有了好多精彩同时呈现，多带劲呀！
再打个比方，这就像是一个高效的工厂生产线。
没有指令级并行的时候，就像是工人一个一个地加工零件，慢悠悠的。
可一旦有了它，就好像工人们突然学会了分工合作，同时进行不同的工序，那生产效率不得蹭蹭往上涨啊！
指令级并行能让计算机变得更厉害呀！它能让计算机在同一时间处理好多事情，这速度，这效率，不就提上去了嘛！这就好像咱跑步，本来是一步一步地跑，现在突然能同时迈好几步，那不得一下子就冲到前面去啦！
它就像是给计算机开了个加速外挂，让计算机能快速地完成各种任务。
咱平时用电脑的时候，是不是希望它能快点儿，再快点儿呀？指令级并行就能帮我们实现这个愿望呀！
你说这指令级并行是不是很神奇？它让计算机的世界变得更加丰富多彩，让我们的生活也变得更加便捷高效。
所以呀，咱可得好好感谢那些研究出指令级并行的科学家们，是他们让我们的科技不断进步，让我们能享受到这么好的技术成果。
总之呢，指令级并行就是计算机领域里的一个大宝贝，它让计算机变得更强大，更有用！咱可得好好珍惜它，利用它，让它为我们的生活带来更多的便利和惊喜呀！。
知识点归纳 计算机架构中的指令级并行与存储器层次优化
知识点归纳计算机架构中的指令级并行与存储器层次优化计算机架构中的指令级并行与存储器层次优化计算机架构是指计算机系统的组织和设计原则，它包括指令系统设计、寄存器组织、数据通路设计以及控制单元设计等方面。
在计算机架构中，指令级并行和存储器层次优化是两个重要的概念。
本文将对这两个知识点进行归纳总结。
一、指令级并行指令级并行是指在执行指令时，同时执行多条指令的能力。
这种并行可以通过硬件的方式实现，以提高计算机系统的执行效率。
指令级并行主要包括指令流水线、乱序执行和超标量执行。
1. 指令流水线指令流水线是一种将指令执行过程划分为多个阶段，并在不同阶段同时执行不同指令的技术。
它将多条指令的执行过程重叠起来，提高了系统的吞吐量。
指令流水线由取指、译码、执行、访存和写回等阶段组成。
每个阶段专门负责某一操作，通过流水线的方式，多条指令可以同时在不同阶段执行，从而提高了指令级并行的效率。
2. 乱序执行乱序执行是指在保证程序正确性的前提下，通过重新安排指令的执行顺序，提高指令级并行的能力。
它通过动态地调整指令的执行顺序，尽可能地隐藏指令之间的依赖关系，减少指令等待的时间，提高程序的执行效率。
乱序执行可以通过重排序缓冲区和重编码技术实现。
3. 超标量执行超标量执行是指在一条指令周期内同时发射多条指令执行的技术。
它通过增加硬件资源，实现多个指令的同时执行。
超标量执行可以在指令流水线的基础上进一步提高指令级并行的能力，充分发挥硬件资源的潜力，提高了系统的性能。
二、存储器层次优化存储器层次优化是指利用存储器层次结构中的不同级别的存储器来提高计算机系统的性能。
存储器层次结构一般由高速缓存、主存和辅助存储器等多级存储器组成。
存储器层次优化的核心思想是通过增加靠近处理器的高速缓存，减少对慢速存储器的访问次数，从而提高存储器的访问效率。
存储器层次优化主要包括局部性原理、高速缓存和虚拟存储器等概念。
1. 局部性原理局部性原理是指程序在执行过程中，存在着时间局部性和空间局部性。
计算机体系结构指令级并行与超标量技术的优化方法
计算机体系结构指令级并行与超标量技术的优化方法计算机体系结构指令级并行与超标量技术的优化方法是指通过提高计算机指令级并行性和利用超标量技术来提高计算机性能的方法。
本文将介绍这些优化方法，并讨论它们在现代计算机体系结构中的应用。
一、指令级并行优化方法指令级并行是指在执行一条计算机指令时，同时执行多条指令的能力。
在传统的单指令多数据（SIMD）和多指令多数据（MIMD）体系结构中，指令级并行主要通过指令流水线、乱序执行和分支预测等技术来实现。
1. 指令流水线指令流水线是将一条指令的执行过程划分为多个子阶段，并通过并行执行这些子阶段来提高计算机的吞吐量。
典型的指令流水线包括取指、译码、执行、访存和写回等阶段。
指令流水线的优化方法包括增加流水线的深度、减少流水线的停顿以及解决流水线冲突等。
2. 乱序执行乱序执行是指根据指令之间的依赖关系，在不改变程序执行结果的前提下，通过调整指令的执行顺序来提高指令级并行性。
乱序执行技术包括乱序发射、数据回复和指令重排序等。
3. 分支预测分支预测是为了解决程序中分支指令对流水线的冲击而出现的一种技术。
分支预测通过猜测分支指令的执行方向来提高指令级并行性。
常见的分支预测方法包括静态分支预测和动态分支预测。
二、超标量技术的优化方法超标量技术是指在同一个时钟周期内同时发射多条指令，并通过并行执行这些指令来提高计算机性能的技术。
超标量技术主要包括超标量发射、超标量执行和动态调度等。
1. 超标量发射超标量发射是指在一个时钟周期内同时发射多条指令到执行单元。
通过增加发射宽度，可以同时发射更多的指令，从而提高指令级并行性。
2. 超标量执行超标量执行是指在一个时钟周期内通过并行执行多条指令来提高计算机性能。
超标量执行的优化方法包括增加执行单元的数量、增加执行单元的功能和使用更高效的执行指令等。
3. 动态调度动态调度是指通过调度器来动态选择可以立即执行的指令，并将其发送到执行单元。
通过动态调度，可以有效地利用执行单元的资源，提高指令级并行性和计算机性能。