第二章 流水线

从理论上说， 级过程段的流水线处理n 从理论上说，一个具有 k级过程段的流水线处理n个任 务所需的时钟周期数为： 务所需的时钟周期数为： Tk=k+(n – 1) 非流水线的硬件来处理n个任务所需的时钟周期数为： 非流水线的硬件来处理n个任务所需的时钟周期数为： TL=n×k × K级线性流水线的加速比 K 级线性流水线的加速比C 级线性流水线的加速比 Ck=TL / Tk=(n×k) / [k+(n – 1)] × 当n>>k时，Ck→k n>>k时
L 输入 S1
L S2
L S3
L S4
L 输出
时钟C 时钟 四级流水浮点加/ 四级流水浮点加/减运算的基本结构
流水线需在各个过程段之间设置高速缓冲寄存器L 流水线需在各个过程段之间设置高速缓冲寄存器 线性流水线时钟周期 τ=max{τi}+τl =τm+τl τ τ τ τ
式中max{τi}表示取所有过程段中所需的最长操作时间。 τ 表示取所有过程段中所需的最长操作时间 表示取所有过程段中所需的最长操作时间。 式中
4) 按照流动是否可以乱序来分
◆ 顺序流动流水线：流水线输出端任务流出的顺 顺序流动流水线：
序与输入端任务流入的顺序相同。 序与输入端任务流入的顺序相同
◆ 异步流动流水线（乱序流水线）：流水线输出 异步流动流水线（乱序流水线）： ）：流水线输出
端任务流出的顺序与输入端任务流入的顺序 不同。 不同
解：(1) 加法器的流水线时钟周期至少为：τ＝90ns + 10ns 加法器的流水线时钟周期至少为： ＝
如果采用通用的逻辑电路，但不是流水线方式， 如果采用通用的逻辑电路，但不是流水线方式，则浮点加法所需 的时间为τ 的时间为 1 +τ2 + τ3 +τ4 = 300ns 因此，4级流水线加法器的加速比为 因此， 级流水线加法器的加速比为 Ck = 300/100 = 3 当每个过程段的时间都是75ns时， (2) 当每个过程段的时间都是 时 则加速比为： 则加速比为：Ck = 300/75 = 4
流水线技术特点 各个功能段所需时间应尽量相等，否则， (3) 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， 的功能段将成为流水线的瓶颈，会造成流水线的 堵塞” 断流” 这个时间一般称为时钟周期 “堵塞”和“断流”。这个时间一般称为时钟周期 流水线需要有“通过时间” (4) 流水线需要有“通过时间”（第一个任务流出结果 所 需的时间）， ），在此之后流水过程才进入稳定工作状 需的时间），在此之后流水过程才进入稳定工作状 每一个时钟周期流出一个结果； 态，每一个时钟周期流出一个结果； 流水技术适合于大量重复的时序过程， (5) 流水技术适合于大量重复的时序过程，只有输入 端能连续地提供任务，流水线效率才能充分发挥。 端能连续地提供任务，流水线效率才能充分发挥。
τ1 求阶 差 (S1) τ2 对阶 (S2) τ3 尾数 运算 (S3) τ4 规格 化处 理 (S4)
图2.35 浮点加减运算执行次序
3. 流水线的分类
流水线可以按不同的观点进行分类。 流水线可以按不同的观点进行分类。 1）按功能的多少来分
◆ 单功能流水线：只能完成一种固定功能的流水线。 单功能流水线：只能完成一种固定功能的流水线 流水线。
5) 按照数据表示来分 ◆ 标量处理机：不具有向量指令和向量数据表示， 标量处理机：不具有向量指令和向量数据表示， 仅对标量进行流水处理的处理机。 仅对标量进行流水处理的处理机。 例：IBM360/91, Amdahl 470V/6 等 ◆ 向量处理机：具有向量指令和向量数据表示的 向量处理机： 处理机。 处理机。 CRAY例：TI ASC, CRAY-I 等 6) 按照是否有反馈回路来分 ◆ 线性流水线：流水线中的各段串行连接，没 线性流水线：流水线中的各段串行连接， 有反馈回路。 有反馈回路。 ◆ 非线性流水线：流水线中的各段除有串行连接 非线性流水线： 还有反馈回路。 外，还有反馈回路。
◆ 多功能流水线：流水线的各段可以进行不同的连 多功能流水线：流水线的各段可以进行不同的连
接，从而实现不同的功能。 从而实现不同的功能。
2）按同一时间内各段之间的连接方式来分
◆ 静态流水线：在同一时刻，流水线的各段只能 静态流水线：在同一时刻，
按同一种功能的连接方式工作。 按同一种功能的连接方式工作。 在静态流水线中，只有当输入是一串相同 在静态流水线中， 的运算操作时，流水的效率才能得到发挥。 的运算操作时，流水的效率才能得到发挥。
可见，理论上 级 可见，理论上k级线性流水线处理速度几乎是非流水线 处理速度的k倍 处理速度的 倍。
2.6.3 浮点运算器流水线
2．浮点加法流水线原理 ． (1) 浮点加减法运算步骤
包括四步：求阶差、对阶、尾数（ 减 运算和结果规格化处理。 包括四步：求阶差、对阶、尾数（加/减）运算和结果规格化处理。
流水线: 2.6.3 流水线:
福特与汽车 特与汽车
泰勒与资本主义
1．流水线原理 ． 流水线技术 流水线技术是指：将一个重复的时序过程分 流水线技术是指： 是指 解成为若干个子过程， 解成为若干个子过程，而每个子过程都可有效地 在其专用功能段上与其他子过程同时执行。 在其专用功能段上与其他子过程同时执行。 流水线技术特点 流水过程由多个相联系的子过程组成， (1) 流水过程由多个相联系的子过程组成，每个 子过程称为流水线的“级”或“段”。“段” 子过程称为流水线的“ 的数 每个子过程由专用的功能段实现； (2) 目称为流水线的“深度”。 每个子过程由专用的功能段实现； 目称为流水线的“深度”
【例2.37】 设由四级过程段组成浮点流水加/减法的运算过程，并设每个过程 】 设由四级过程段组成浮点流水加 减法的运算过程， 减法的运算过程 段所需的时间为：求阶差τ1＝70ns，对阶τ2=60ns，相加τ3=90ns，规格化 段所需的时间为：求阶差τ ，对阶τ ，相加τ ， τ4＝80ns，缓冲寄存器L的延时τL=10ns，求：(1) 4级流水线加法器的加速 ，缓冲寄存器 的延时τ ， 级流水线加法器的加速 的延时 比是多少？(2) 如果每个过程段的时间都相同，设都为75ns（包括缓冲寄存 比是多少？ 如果每个过程段的时间都相同，设都为 （ 器的延时） 加速比又是多少？ 器的延时）时，加速比又是多少？
◆ 动态流水线：在同一时刻，流水线的各段可以 动态流水线：在同一时刻，
按不同功能的连接方式工作。 按不同功能的连接方式工作。 这样就不是非得相同运算的一串操作才能 流水处理。 流水处理。 优点： 优点：能提高流水线的效率 缺点：会使流水线的控制变得复杂 缺点：
3）按照流水线的级别来分 部件级流水线（运算操作流水线）： ）：把处理机的 ◆ 部件级流水线（运算操作流水线）：把处理机的 算术逻辑部件分段， 算术逻辑部件分段，使得各种数据类型的操作能 够进行流水。 够进行流水。
◆ 处理机级流水线（指令流水线）：把指令的解释 处理机级流水线（指令流水线）： ）：把指令的解释
执行过程按照流水方式进行处理。 执行过程按照流水方式进行处理。 例：把指令解释过程分解为 ①分析 ②执行 处理机间流水线（宏流水线）：它是指由两个 ◆ 处理机间流水线（宏流水线）：它是指由两个 ）： 以上的处理机串行地对同一数据流进行处理， 以上的处理机串行地对同一数据流进行处理， 每个处理机完成一项任务。 每个处理机完成一项任务。