第八章 流水线技术
基础工业工程流水组织设计与生产线平衡
作业内容 生产时间（分钟） 前项作业
A
10
—
B
11
A
C
5
B
D
4
B
E
12
A
F
3
C、D
G
7
F
H
11
E
I
3
G、H
总时间
66
5
解： (1)确定节拍时间C.T. H 480 12分钟 P 40
(2)确定最小工序数S min W 66 5.5或6个工序（工位） C.T. 12
(6)产线平衡率 W 66 66 91.7% SC.T. 612 72
的间隔时间。换句话说，即指完成一个产品所需的平均时间。节拍通常只是用于定
义一个流程中某一具体工序或环节的单位产出时间。即：每一个生产节拍时间内生
产出一个产品。 节拍计算式：
C.T.
H P
式中，从实际测量现有产线节拍角度
H ——一定时间（月、日）内实际作业的有效时间； P—— H时间内实际发生的产量，包括返工及废品。 （产能，日产量/月产量） 从满足产能等要求进行设计角度
流水化组织必要条件 （1）产品结构和制造工艺相对稳定
（2）产品品种稳定，产量足够大（不适合单件小批量） （3）组成生产过程的各道工序作业内容能够分解与合并 （4）必要的厂房条件
1
《基础工业工程》 主讲：姜雪松
8.2 流水线组织设计
一、常用术语
节拍：Cycle time是指连续完成相同的两个产品（或两次服务，或两批产品）之间
（3）绘制装配先后次序网络图（4）按排程规则一（首先分配后续作业 数量最多的作业）分配作业内容（5）分配作业内容至各工序（工位）
流水线技术概述
流⽔线技术概述本⽂是对流⽔线技术地基本概念、冒险处理、硬件实现的基本概述。
⾸先我们介绍流⽔线的⼯作原理、组成要求、分类和性能指标，接下来讨论流⽔线的冒险处理，最后我们以MIPS为例，介绍流⽔线数据通路和控制器的实现。
⽬录1. 流⽔线概念针对串⾏执⾏过程中的冗余和瓶颈，我们提出，可以将指令执⾏过程划分为多个阶段，各个阶段可以同时处理操作，这样，每条指令按序通过各段，不同指令的执⾏过程重叠，得到的就是流⽔线。
流⽔线由多个功能段按序组成。
例如，在RISC中，通常包括IF,ID,EX,MEM,WB五个功能段，⽽在CISC中，通常包括IF,ID,OF,EX,WB五个功能段。
理想状况下，流⽔线可以对程序执⾏起到显著的加速作⽤。
例如，有n条指令在m段流⽔线上执⾏，串⾏执⾏的时间为mnt，⽽采⽤流⽔线后，其执⾏时间为(m+n-1)t。
流⽔线在组成上，有三个基本要求。
第⼀，各个段的操作要相互独⽴、相互分离。
因此，每个段的源数据必须来⾃时序部件，结果也要存到时序部件。
实现上，我们设置段间寄存器，其中保存本段的所有后续段需要的本段的数据、地址、命令等。
第⼆，各个流⽔段的操作要同步执⾏。
实现上，我们会设置公共拍时钟，使得段间寄存器被同时写⼊。
拍时钟的周期需要取为各个段长的最⼤值。
第三，各个流⽔段的操作必须⽆冲突，以保证结果正确。
具体⽽⾔，就是消除冒险。
实现上，通过增设部件和控制器，来消除各种冒险。
流⽔线可以按其属性进⾏多种分类。
按处理的级别，可以分为操作级流⽔线、指令级流⽔线、处理机级流⽔线。
按功能，可以分为单功能和多功能流⽔线。
多功能流⽔线的各流⽔段可以进⾏不同的连接，从⽽完成不同的功能。
按⼯作⽅式，可以分为静态流⽔线和动态流⽔线。
静态流⽔线在进⾏功能切换时，必须排空。
显然，动态流⽔线⼀定是多功能流⽔线。
按结构，可以分为线性流⽔线和⾮线性流⽔线。
所谓⾮线性流⽔线，就是其中有部件的复⽤。
按流⼊流出的次序，可以分为顺序流⽔线和乱序流⽔线。
什么是流水线技术pipeline
什么是流水线技术pipeline/uid-9185047-id-445171.html2010流水线(Pipeline)技术是目前广泛应用于微处理芯片(CPU)中的一项关键技术，但对许多非专业性的读者来说，这个名词过于抽象，加上P6(高能奔腾)应用的超流水线(Super Pipeline)技术，更令人一头雾水，不知所云。
本文以简单、形象、非专业的语言来介绍这一技术，加深大家对其的理解。
流水线技术指的是对CPU内部的各条指令的执行方式的一种形容，要了解它，就必须先了解指令及其执行过程。
一、计算机指令及其执行过程计算机指令，就是告诉CPU要做什么事的一组特定的二进制集合。
如果我们将CPU比喻成一个加工厂，那么，一条指令就好比一张订单，它引发了CPU__加工厂的一系列动作，最后分别得到了运算结果和产品。
那么，它们到底是怎样工作的呢?首先，要有一个接收订单的部门——CPU的取指令机构；其次，还要有完成订单的车间——CPU的执行指令机构。
在工厂中，一张订单上的产品被分成了许多道工序，而指令亦在CPU中转换成了许多条对应的微操作，依次完成它们，就执行完了整条指令。
二、执行指令的方式及流水线技术在低档的CPU中，指令的执行是串行的，简单地说，就是执行完了一条指令后，再执行下一条指令，好比我们上面提到的那个加工厂在创业之初，只有一间小车间及孤军奋战的老板，那么，当他接到一张订单之后，他必然忙于完成第1张订单，而没有能力去接第2张订单。
这样接订单→完成订单→接订单→……取指令→执行指令→取指令→……是一个串行的过程。
后来，老板发现接受订单不费太多时间，而且他还有了一个帮工，他们可以相互独立地工作，这样，老板就在完成上张订单产品的同时，接受下一张订单的订货。
这表现在CPU上就是取指令机构与执行指令机构的分开，这样从CPU整体来看，CPU在执行上条指令的同时，又在并行地取下条指令。
这在CPU技术上是一个质的飞跃，它使得CPU从串行工作变为并行工作，从而具有了流水线的雏型。
计算机体系结构——流水线技术（Pipelining）
单功能流水线：流水线只完成一种固定功能 多功能流水线：流水线可以完成多种功能，如 TI公司的ASC机，8段流水线，能够实现：定点加减 法、定点乘法、浮点加法等功能 3.按同一时间内各段之间的连接方式分 静态多功能流水线 ：同一时间内，多功能结构只能按一种功能的连接方式工作。 动态多功能流水线：在同一时间内，可以有多种功能的连接方式同时工作 4.按处理的数据类型 标量流水线 向量流水线 5.按控制方式 同步流水线 异步流水线：当Si功能段要向Si+1段传送数据时，首 先发出就绪信号，Si+1功能段收到信号后，向Si回送 一个回答信号。 6.按任务从输出端的流出顺序 顺序流水方式：指令流出顺序 = 指令流入顺序 乱序流水方式：指令流出顺序 ！= 指令流入顺序 7. 线性流水线——不带反馈回路的流水线
三、流水线的分类（了解）
四、流水线相关及冲突（重点） 1.流水线相关 2.流水线冲突 3.流水线冲突带来问题 4.数据冲突及其解决方案 5.结构冲突及其解决方案 6.控制冲突及其解决方案
五、流水线性能分析(含例题讲解) 1.流水线的基本参数——吞吐率 2.流水线的基本参数——加速比 3.流水线的基本参数——效率 4.结果分析 5.有关流水线性能的若干问题
整体评估、反馈、再改进
3. 指令周期
单周期处理机模型：一个周期完成一个指令（每个周期是等长的），指令长度可能不一样，会造成很大的浪费 多周期处理机模型：将一个指令的完成划分成若干个周期来实现 流水线模型
二、流水线技术 1. 什么是流水线？ 计算机中的流水线是把一个重复的过程分解为若干个子过程，每个子过程与其他子过程并行进行。由于这种工作方式与工厂中的生产 流水线十分相似， 因此称为流水线技术 从本质上讲，流水线技术是一种时间并行技术。
软件设计师计算机体系结构考点：流水线技术
软件设计师计算机体系结构考点：流水线技术【考法分析】本考点涉及的考查形式有：（1）流水线相关理论概念；（2）流水线相关计算。
【要点分析】1.流水线理论概念（1）流水线是指在程序执行时多条指令重叠进行操作的一种准并行处理实现技术。
各种部件同时处理是针对不同指令而言的，它们可同时为多条指令的不同部分进行工作，以提高各部件的利用率和指令的平均执行速度。
（2）流水线建立时间：1条指令执行时间。
（3）流水线周期：执行时间最长的一段。
2、流水线相关计算：（1）流水线执行时间（理论公式）：（t1+t2+..+tk）+（n-1）*∆t。
（2）流水线执行时间（实践公式）：k*∆t +（n-1）*∆t。
（3）流水线吞吐率：TP = 指令条数/ 流水线执行时间。
（4）流水线最大吞吐率1 / ∆t。
（5）流水线加速比：顺序执行时间/流水线执行时间。
【备考点拨】吞吐率：单位时间内流水线处理机流出的结果。
对指令而言就是单位时间内执行的指令数。
如果流水线子过程所用的时间不一样，则吞吐率P应为（最长子过程的倒数）。
流水线开始工作，需要经过一段时间才能达到最大吞吐率。
【相关考题】1.下列关于流水线方式执行指令的叙述中，不正确的是（）。
A.流水线方式可提高单条指令的执行速度B.流水线方式下可同时执行多条指令C.流水线方式提高了各部件的利用率D.流水线方式提高了系统的吞吐率2.流水线的吞吐率是指单位时间流水线处理的任务数，如果各段流水的操作时间不同，则流水线的吞吐率是（）的倒数。
A. 最短流水段操作时间B. 各段流水的操作时间总和C. 最长流水段操作时间D. 流水段乘以最长流水段操作时间。
第8章 流水网络计划技术 PPT
8.3.3 流水网络时间参数计算示例
已知如8.2.3中例题条件，试绘制流水网络计划 图并计算其时间参数。 （1）确定开始时距、结束时距 根据公式计算： KA,B=2，KB,C=2，KC,D=5； JA,B=2，JB,C=4，JC,D=3。
② 流水段的划分，在实际工作中以单栋、单层组 织，而在网络图中，如以单栋，单层绘制，图面 将繁琐、杂乱，因而基础以4栋表示，上部结构则 以10层表示，安排计划和跟踪、调整均无影响。
图8-4 某基础工程施工的流水网络图
8.2.1 流水网络计划的基本形式
1 节点圈与流水箭杆
2 时距箭杆
（a）开始时距、结束时距 （b）跨控时距 （c）间歇时距
3 流水网络的单元模型
（1）流水网络块的绘制规则 （2）流水网络块的特点
4 若干活动或流水分网络与另外的流水分网络的结合
（1）简单结合 简单结合是指若干个活动或流水分网络（流水网络块、
1 流水网络的时距方程 流水网络要求相邻两个专业施工队相互之间
的开始时距和结束时距之间的关系应符合下列时 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ方程 。
任何流水网络计划都必须符合上述时距方程， 否则就不算作流水关系。
2 开始时距的计算
开始时距的计算可参照流水理论中“流水步 距”的计算。流水施工通常分为等节奏流水、不 等节奏流水和无节奏流水三种类型。
（1）等节奏流水的开始时距 （2）不等节奏流水的开始时距 （3）无节奏流水的开始时距
3 结束时距的计算
结束时距（Ji,i+1），表示两个相邻施工过程
前一个结束到后一个结束的时间差。结束时距斜 线在流水网络图中是使网络图形成各个封闭的 “圈”，不致被人们引起网络图中允许存在“多 尾”的误解。其计算式为：
计算机科学中的流水线技术
摘要流水线技术是提高系统吞吐率的一项强大的实现技术，并且不需要大量重复设置硬件。
20世界60年代早期的一些高端机器中第一次采用了流水线技术。
第一个采用指令流水线的机器是IBM7030（又称作Stretch计算机）。
后来的CDC 6600同时采用了流水线和多功能部件。
到了20世纪80年代，流水线技术成为RISC处理器设计方法中最基本的技术之一。
RISC设计方法的大部分技术都直接或者间接以提高流水线性能为目标。
从此以后，流水线技术也被有效地应用到CISC处理器的设计中。
Intel i486是IA32体系结构中的第一个流水线实现。
Digital的VAX和Motorola的M68K的流水线版本在商业上也取得了成功。
流水线技术是当前指令集处理器设计中广泛采用的技术。
在这里我们将重点放在（标量）流水线处理器的设计。
流水线处理器设计中的许多方法和技术，例如用于检测和化解相关的流水线互锁机制，都是标量处理器设计的基本方法。
当前的趋势是朝着超深度流水线的方向发展。
流水线的深度已经从不到10发展到超过20.深度流水是获得高速始终频率的必要条件，这是提高处理器性能的一个非常有效的方法。
有迹象表明。
这种趋势还将持续下去。
[关键词] 流水线技术猜测法中断处理吞吐率指令重叠加快短循环程序的处理AbstractPipeline technology is to improve the system throughput of a powerful technology, and does not require repetitive set hardware. The 20 world early 60's some high-end machines used the first pipeline technology. The first use of the instruction pipeline machine is IBM7030(also called Stretch computer ). Later CDC6600at the same time lines and multiple functional components.In the nineteen eighties, pipeline technology to become the RISC processor design method is one of the most basic techniques. The design method of RISC most of the techniques are directly or indirectly to improve performance as the goal line. Since then, assembly line techniques have also been applied effectively to the CISC processor. Intel i486 is IA32 architecture is the first in a pipelined implementation. Digital VAX and Motorola M68K pipelined version also achieved success in business.Pipeline technology is the current instruction set processor is widely used in the design of technology. Here we will focus on the ( scalar ) pipelined processor design. A pipelined processor in the design of many methods and techniques, for example, used to detect and resolve the relevant pipeline interlock mechanism, is a scalar processor design method.The current trend is towards super depth line direction. Pipeline depth has less than10 to the development of more than 20depth of water is always necessary to obtain high speed frequency, which is to improve the performance of a very effective method. There are signs. This trend will continue.Keywords: Pipeline technology forecast method of interrupt processing throughput instruction overlapping accelerate short cycle program processing目录第一章绪论 (5)1.1现代RISC中的流水线技术 (5)1.1.1超流水线技术 (5)1.1.2超标量技术 (4)1.1.3流水技术在Pentium系列微处理器中的实现 (6)第二章流水线基础 (8)2.1流水线概念 (8)2.1.1指令重叠 (9)2.1.2流水线 (10)2.1.3流水线的特点 (10)2.1.4流水线的分类 (11)2.2流水线的主要性能 (12)2.2.1吞吐率 (12)2.2.2加速比和效率 (13)第三章指令流水线设计 (14)3.1流水线理想假设 (14)3.1.1一致的运算分量 (14)3.1.2重复的运算 (15)3.1.3独立的运算 (16)3.2指令流水线 (17)3.2.1指令流水线设计 (17)3.2.2指令集体系结构的影响 (18)3.2.3流水线分级的考虑 (20)3.3流水线处理器设计 (20)3.3.1保持流水段均衡 (20)3.3.2统一指令类型 (21)3.3.3减少流水线停顿 (25)第四章流水线中各种相关及中断处理 (26)4.1流水线中相关 (26)4.2资源相关 (26)4.3数据相关 (27)4.3.1指令相关 (27)4.3.2主存空间操作数相关 (28)4.3.3通用寄存器组相关 (28)4.4控制相关 (31)4.4.1猜测法 (30)4.4.2加快和提前形成条件码 (31)4.4.3采取转移延迟 (31)4.4.4加快短循环程序的处理 (31)第五章中断处理与流水线调度 (32)5.1中断处理 (32)5.2流水线调度 (33)第六章总结与展望 (35)致谢 (41)参考文献 (38)第一章绪论流水线技术是提高系统吞吐率的一项强大的实现技术，并且不需要大量重复设置硬件。
计算机系统结构之流水线技术(205页)
入 求阶差
△t
对阶 △t
尾数相加 △t
出 规格化
△t
▲
31/206
1. 时空图 ➢ 时空图从时间和空间两个方面描述了流水线的工作 过程。时空图中，横坐标代表时间，纵坐标代表流 水线的各个段。 ➢ 4段指令流水线的时空图：
空间
存结果
123456
执行 译码
123456
5
123 45 6
取指令 1
2
3
4
k…+…1 k+j
已经由指令分析器预处理完成，存放在先行操作栈中的 RR*型指令，指令所需要的操作数已经读到先行读数栈中
k…+…j+1 k+j+n
已经由指令分析器预处理完成，存放在先行操作栈中，指 令所需要的操作数还没有读到先行读数栈中
k+j+n+1 正在指令分析器中进行分析和预处理的指令
k…+…j+n+2 已经从主存储器中预取到先行指令缓冲栈中的指令 k+j+n+m
1
2
3
…
1
2
3
…n
1
2
3
…
n
2
3
k
ti
i1
…n （n－1）t2
Tk 各段执行时间不相等的流水线及其时空图
n
时间
▲
33/206
2 流水线的基本概念
➢ 流水线每一个功能部件的后面都要有一个缓冲寄 存器（锁存器），称为流水寄存器。
站的某个存储单元（设其地址为j），同时用j替换原来指令
中的目标地址码字段。
✓ 立即数型指令：把指令中的立即数送入读数站（设为第l个 存储单元），同样也用l替换原来指令中的立即数字段。
流水线技术
8.2
8.2.1
流水线的分类方法
流水线的分级
根据使用流水线的级别差异，可以把流水线分为功能 部件级、处理机级和处理机之间级等多种流水线类型。
⑴ 功能部件级流水线
所谓功能部件级流水线，又称为运算操作流水线
(arithmetic pipelines)。图8-5中的浮点加法器就是一种典
型的功能部件级流水线。要提高执行部件执行算术逻辑运 算操作的速度，除了在运算操作部件中采用流水线之外， 还可以设置多个独立的操作部件，并通过这些操作部件的 并行工作，来提高处理机执行算术逻辑运算的速度。
可见，当流水线的各段执行时间不相等时，流水线的吞吐率 主要由执行时间最长的“瓶颈”流水段决定，这种流水结构
显然会造成机器资源的浪费。
解决方法：
⑴ 将“瓶颈段”进一步细分，消除“瓶颈”。
⑵ 若由于结构等方面的原因，“瓶颈段”无法再细分时，
可通过重复设置“瓶颈段”的方法，用多段并行工作的方 法来解决，见教材。
∴ 流水线的实际吞吐率为：
n TP (k n 1)t
当任务数n>>段数k时（取n→∞时），可得最大吞吐率为：
TPmax
n 1 lim n ( k n 1) t t
2. 各段执行时间不相等的流水线 (如图)
这时, 流水线的传送时钟周期应当为：
t Max(t1 , t 2 , t 3 , t 4 )
3 流水线的特点
⑴ 把一个任务(一条指令或一个操作)分解为几个有联系的子 任务，每个子任务由一个专门的功能部件来实现，依靠多 个功能部件并行工作来缩短程序的执行时间。 ⑵ 由于流水线中每一个流水段的延迟时间不可能绝对相等， 再加上电路的延迟时间和时钟等都存在偏移，因此，流水 段之间传送任务时，必须通过锁存器。 ⑶ 流水线中各功能段的延迟时间应尽量相等，否则将引起堵 塞、断流。流水线的瓶颈，会造成流水线中的其它功能部 件不能充分发挥作用。
计算机组成原理基础知识流水线技术和超标量处理器
计算机组成原理基础知识流水线技术和超标量处理器计算机组成原理基础知识：流水线技术和超标量处理器计算机组成原理是指计算机硬件的基本组成和工作原理。
在计算机科学与技术领域，流水线技术和超标量处理器是两个重要的概念。
本文将介绍这两种技术的基本原理和应用。
一、流水线技术流水线技术是指将一个复杂的操作分解成多个简单的子操作，并将这些子操作连续地执行，以提高计算机的指令执行效率。
在传统的自顶向下的设计方法中，计算机硬件主要包括控制器、运算器等单一功能模块，而在流水线技术中，计算机硬件被划分成多个阶段，每个阶段执行一个特定的功能子模块。
经典的流水线包括取指、译码、执行、访存和写回等阶段。
在取指阶段，计算机从存储器中读取指令；在译码阶段，计算机对指令进行解码并读取相应的操作数；在执行阶段，计算机执行相应的操作；在访存阶段，计算机对数据进行读写操作；在写回阶段，计算机将执行结果写回到寄存器或存储器。
流水线技术的优点是可以充分利用计算机硬件资源，提高指令的并行执行程度。
但是，流水线技术也存在一些问题，例如数据的相关性和冒险问题，需要通过一些技术手段来解决。
二、超标量处理器超标量处理器是一种在流水线技术基础上的改进方案。
传统的流水线技术中，每个阶段只能执行一个指令，而超标量处理器允许在同一个时钟周期内执行多个指令，以进一步提高计算机的执行效率。
超标量处理器主要依靠两个关键技术来实现多指令并行执行：乱序执行和动态调度。
乱序执行是指根据指令之间的依赖关系，按照合理的顺序执行指令，而不是按照指令在程序中的顺序执行。
动态调度是指通过硬件对指令进行调度，在不改变程序语义的前提下，尽可能地重排指令的执行顺序，以提高指令的并行度。
超标量处理器的工作原理可以简单描述为：在取指阶段，计算机从存储器中读取多个指令；在译码阶段，计算机对这些指令进行解码；在执行阶段，计算机并行执行多个指令；在访存阶段，计算机同时进行多个数据的读写操作；在写回阶段，计算机将执行结果写回到寄存器或存储器。
流水线技术
DLX的基本流水线
DLX的一种简单实现 首先讨论在不流水的情况下，如何实现DLX。
1. 实现DLX指令的一种简单数据通路
2.取指令周期（IF） IR ← Mem[PC] NPC ← PC＋4
(2) 每个子过程由专用的功能段实现；
(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，会造成流水线的 “堵塞”和“断流”。这个时间一般为一个时钟
周期（拍）； (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 态，每一个时钟周期（拍）流出一个结果；
◆ Load 指令
6
26
Regs[IR11操.作.1码5] ← LMD与 PC 相加的偏移量
跳转，跳转并链接，从异常（exception）处自陷和返回。
图 2.13 DLX 的指令格式布局
寄存器―寄存器型 ALU 指令 Regs[IR16 ..20] ← ALUOutput
寄存器―立即值型 ALU 指令 Regs[IR11 ..15] ← ALUOutput
16 ..31寄存器－寄存器 ALU 操作：rdrs1 func rs2；
操作
函数对数据的操作进行编码：加、减、； 对特殊寄存器的读/写和移动。
指令译码和读寄存器是并行J进类型行指令的。之所
以能做到这一点，是因为在DLX操指作6 码令格式中与，PC
26 相加的偏移量
操作码在固定位置。这种技术也称跳转，为跳转固并链定接，字从异段常（exception）处自陷和返回。
Load 指令 Regs[IR11 ..15] ← LMD
8 流水线技术(3)_v1.0
减少流水线处理分支指令时的暂停周期数：
判断往前移 多个加法器部件
尽早计算出转移成功的分支目标地址
北京信息科技大学
计算机系统结构
北京信息科技大学
计算机系统结构
北京信息科技大学
计算机系统结构
降低流水线分支损失的方法
４种简单的静态方法，编译时预测
（1）冻结（Freeze）或排空（Flush）流水线
计算机系统结构
2. 利用定向技术减少数据相关引起的暂停
(1) 主要思路：在发生上述数据相关时，如果能够将计 算结果从其产生的地方直接送到需要它的地方，就可以 避免暂停。 (2) 当定向硬件检测到前面某条指令的结果寄存器就是 当前指令的源寄存器时，控制逻辑会将前面那条指令的 结果直接从其产生的地方定向到当前指令所需的位置。 (3) 工作过程演示 (4) 一个功能单元的输出不仅可以定向到其自身的输入 ，而且还可以定向到其它单元的输入。 (5)所有的定向发生在： (图示) ALU或DM输出 → ALU输入，DM输入，“O”检测部件
ID2
AL 定点算术逻辑部件 LS 取数存数部件
WR2
北京信息科技大学
计算机系统结构
多指令流出技术
将等于1的理想CPI减小，必须实现一个时钟 周期发射（流出issue）多条指令
超标量(Superscalar)处理器：每个时钟周期发射多条 指令（1～8），可以采用编译器进行静态调度顺序执 行，也可以采用硬件动态调度乱序执行 超长指令字(VLIW: Very Long Instruction Word)：通 过编译器调度无关的多条指令（4～16）形成一条长 指令，每个时钟周期发射一条长指令 超级流水线(Super pipelining)：将每个功能部件进一 步流水化，使得一个功能部件在一个时钟周期中可以 处理多条指令（可以简单地理解为很长的流水线）
3.3 流水线技术
i4或NOP i5或NOP
R i4的条件执行
D A
A
X
PAB=a5 PB=i5
R i5的条件执行
X
T6：XC指令寻址级，求解XC指令的条件。 T4：对XC指令进行取值； T3：XC指令地址a3加载PAB； 注意：① 决定XC指令判断条件的指令应放在i1指令之前； 如果XC指令的判断条件由指令i1和i2的结果给出，则 在T6周期，i1和i2指令还没执行完毕，执行结果不会 若条件满足，则i4和i5指令进入译码级并执行； 会得出错误的判断。 对XC指令的条件判断产生影响。 ② 在条件执行指令前屏蔽所有可能产生的中断或 若不满足，则不对i4和i5指令译码，执行NOP。 其他改变指令规定条件的运算。
通过PB 通过IR 读取指令 指令译码 预取指P 取指F 译码D
寻址A
读数R 执行/写数 写地址2 数据2 加载EAB 写至EB
8
’C54x存储器操作的各种情况：
⑤ 执行读单操作数和写单操作数指令 例如： ST A，*AR2 ||LD *AR3，B
取指F 译码D ；单周期并行加载存储指令， 读单操作数和写单操作数
利用BD指令编程 LD ;单字单周期 @x,A ;单字单周期 ADD @y,A ;单字单周期 STL A,@s 6周期 LD @s,T ;单字单周期 BD next ;单字单周期 MPY @z,A ;单字单周期 STL 4周期 ;双字四周期 —— A,@r 8字8周期
;单字单周期 ;单字单周期 ;单字单周期 ;单字单周期 ;单字单周期 ;单字单周期
4
’C54x存储器操作的各种情况：
① 执行读单操作数指令
例如：LD
预取指P 加载 PAB
*AR1，A
译码D
流水线技术
流水线技术流水线技术是一种用于大规模生产的高效生产方式，它通过将生产过程分解为多个简单的工序，并分配给不同的工人或机器进行操作，从而实现生产效率的最大化。
本文将详细介绍流水线技术的起源、原理、应用以及对生产效率和产品质量的影响。
流水线技术最早起源于工业革命时期，主要应用于制造业。
在流水线生产中，产品的生产过程被分解为一系列相互依赖且独立的工序，产品沿着流水线依次经过每个工序，每个工序负责完成特定的任务。
工人或机器在每个工序上分别进行相应的操作，使产品逐步加工完毕，最终得到成品。
流水线生产的原理主要有两个方面。
首先是工序的分解，也就是将复杂的生产过程分解为多个简单的工序，每个工序负责单一的操作。
这样一来，每个工人或机器只需专注于完成自己的任务，能够更加快速、高效地完成工作。
其次是工序之间的协调和协作。
每个工序的完成时间需要与下一个工序的开始时间相协调，确保产品能够顺利地在流水线上流动，避免出现停顿或浪费。
流水线技术在多个行业中得到了广泛应用。
最早应用流水线技术的行业是汽车制造业。
通过流水线技术，汽车生产的每个环节都被细分为多个工序，从焊接、喷涂到组装，每个工序专门由一台机器或一名工人负责，大大提高了汽车制造的效率。
此外，流水线技术还被应用于食品加工、电子制造、石油化工等行业，帮助这些行业提高了生产效率，降低了生产成本。
流水线技术对生产效率和产品质量有着明显的影响。
首先，流水线技术可以提高生产效率，减少生产周期。
由于每个工序负责单一的任务，工人或机器在相同时间内可以完成更多的产品加工，从而大大提高了生产效率。
其次，通过流水线技术，可以降低生产成本。
由于生产效率的提高，单位产品的生产成本会大幅下降，从而提高了企业的竞争力。
最后，流水线技术有助于提高产品质量。
每个工序专门由一台机器或一名工人完成，可以有效控制产品质量，减少人为因素对产品质量的影响。
然而，流水线技术也存在一些问题和挑战。
首先，流水线生产往往需要大规模投资，并且需要高度标准化的产品和生产工艺。
流水线技术
流水线技术流水线技术是一种高效的生产工艺，能够大大提高生产效率和降低成本。
它被广泛应用于各种制造行业，如汽车制造、电子产品制造、食品加工等。
本文将对流水线技术的原理、优势和应用进行详细介绍。
一、流水线技术原理流水线技术的核心原理是将整个生产过程划分为若干个连续的独立工作站，每个工作站负责完成一项具体的任务或工序。
产品在流水线上按照固定的顺序经过各个工作站，每个工作站只需完成相应的工序，然后将产品传递给下一个工作站。
流水线技术的顺序流程可以按照产品的不同特性和工艺要求来设计。
有些产品需要按照指定的工序顺序进行处理，而有些产品则需要在流水线上经过多个不同的工作站进行加工，以达到最终的成品要求。
二、流水线技术的优势1. 提高生产效率：通过将生产过程进行细分并利用并行处理，流水线技术可以大大提高生产效率。
工作站之间的协调和衔接使得产品在不间断流动的情况下进行加工，从而减少了非价值增加的等待时间。
2. 降低生产成本：在流水线上，人力资源的利用更加高效，无需每个工人都掌握所有工序的技能，只需要专注于自己所负责的工序。
这不仅可以提高工人的专注度，还可以降低培训成本。
3. 简化管理：流水线技术可以将复杂的制造过程分解成若干个简单的工序，每个工序由专人负责，使得生产管理更加简化。
管理者只需监控整个流水线的运行情况和协调各个工序的衔接，而不需要详细了解每个具体工序的细节。
4. 质量可控性强：流水线上的每个工序都可以进行专门的检测和控制，确保产品在各个工序中的质量。
一旦出现质量问题，可以及时追溯到具体的工序和责任人，以便进行纠正和改进。
三、流水线技术的应用1. 汽车制造：汽车生产过程中各个工序的高度标准化和流程化使得流水线技术成为汽车制造的理想选择。
从焊接、涂装到总装，每个工作站都有专业的操作人员，确保汽车制造过程的高效和质量。
2. 电子产品制造：电子产品制造过程中需要经过多个工序，如组装、焊接、测试等。
流水线技术可以有效地管理这些工序，提高生产效率和保证产品质量。
流水线技术
• 流水线简单介绍 • 流水线主要障碍—流水线冒险
流水线简单介绍
1.1 什么是流水线 1.2 RISC指令系统的简单实现 1.3 经典的5段流水线RISC处理器 1.4 流水线的基本性能
1.1 什么是流水线
流水线是利用执行指令所需的操作之间的并行 性，实现多条指令重叠执行的一种技术。 流水线吞吐率取决于指令流出流水线的速度。 指令沿流水线移动一次的时间间隔就是一个机器 周期。由于所有的流水段同时工作，机器周期取 决于最慢的流水段。 流水线设计者的目标是平衡各个流水段的长度， 如果每一步都得到了最佳平衡，那么每条指令在 流水线上的平均时间在理想状况下等于 非流水线机器一条指令的时间 流水线机器段数
2.对所有的转移按照未选中处理，直接取下一条指令 ，好像转移指令只是一条普通指令，流水线也没特殊之处 ，只要转移指令被选中，就需要空操作代替取来的指令（ 需清除IF/ID寄存器），并到目标地址重新取指令。
3.预测转移被选中，一旦完成转移指令 的译码并计算出目标地址后，就假设转移 被选中，到目标地址取指令。因为在5段流 水线中总是先得到转移的结果，后得到目 标的地址，所以不适用于5段流水。胆子某 些流水线中，尤其是隐含条件码和更强功 能转移条件的机器中，专一的目标地址比 其结果更早产生，这时采用预测转移被选 中的方法比较合适。
DADD操作的结果在后面三条指令中都使用，这就产生了 数据冒险。
上述的数据冒险可以用一个简单的硬件技术— 直通（旁路）来解决。把DADD的结果从EX/MEM 寄存器移到DSUB需要的地方，即ALU输入锁存器 ，具体做法： 1.从EX/MEM流水线寄存器送入到ALU的结果总 是反馈到ALU的输入锁存器。 2.如果直通硬件检测到前一次ALU操作写入的 寄存器正好是当前ALU操作的数据来源，那么控制 逻辑就选择直通结果作为ALU的输入。效果如下图
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计算机组成与结构
8.1 流水线原理
在处理机内部需要有独立的取指令、分析指令和执行指令 的功能部件，将传统处理机中的指令控制器分解成为三个独立 的控制器：
存储控制器：负责流水线中各功能段对存储器的访问控制
包括取指令、取操作数、写回运算结果 指令控制器：完成取指令部件和分析指令部件的控制 运算控制器：对运算器的执行加以控制
◆ 两种方案
◆ 两种方案的工作过程对比
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◆ 流水线生产过程的抽象描述
◆ 这种流水工作方式的主要特点
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8.1 流水线原理
2. 简单的理想指令流水线
将处理机执行指令的过程分为三个功能段：
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8.1 流水线原理
4．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， 仅对标量进行流水处理的处理机。 例如：IBM860/91, Amdahl 470V/6 等 ◆ 向量处理机：具有向量指令和向量数据表示的 处理机。 例如：TI ASC, CRAY-I 等 5. 按照是否有反馈回路来分
取指 分析 执行
指令经过各功能段时间分别为t取、t分、t执
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8.1 流水线原理
(1)顺序方式
取指i 分析i 执行i 取指i+1 分析i+1 执行i+1
程序总执行时间为：
T顺
＝
∑ (t取+t分+t执) ＝ 3n△t
i=1
n
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先行取指令栈 存 储 器 控 制 器
指令分析器 先行操作栈
主存 储器
先行取数栈
运算控制器 后行写数栈 运算器
通 用 寄 存 器 堆
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8.1 流水线原理
采用先行取指令栈结构
先行程序计数器PCI
存 储 器 控 制 器
现行程序计数器PC
先行取指令栈
指令分析器
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计算机组成与结构
8.1 流水线原理
8.1.2 流水线的分类
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。
◆ 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。
例如： TI ASC的多功能流水线
◆ 线性流水线：流水线中的各段串行连接，没
有反馈回路。 ◆ 非线性流水线：流水线中的各段除有串行连接 外，还有反馈回路。 (举例)
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8.1 流水线原理
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◆ 流水线的调度问题
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6. 按照流动是否可以乱序来分
(解释)
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8.2 流水线的性能分析
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8.2 流水线的性能分析
T非流水 nm△t0 S＝ ─── ＝ ───────── m△t0 ＋(n－1)△t0 T流水 mn m ＝ ──── ＝ ──── 1 m＋n－1 1＋ m－ n 可以看出：当n >> m 时，S 想一想：n 越大越好？
时空图 完成 n 个任务所需的时间
T流水＝m△t0＋(n－1)△t0
(说明)
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完成 n 个任务所需的时间
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8.2 流水线的性能分析
实际吞吐率
n TP ＝ ─── ＝ ────────── T流水 m△t0 ＋(n－１)△t0
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8.1 流水线原理
3. 先行控制技术
(1) 处理机结构的改变
传统的处理机是控制器分析指令，在控制器控制下， 由运算器完成指令的执行，它们是一个整体。 流水方式中，各功能段相互独立没有冲突，它们在
同一时刻可以并行工作，这就要求取指、分析、执行三
个功能段相互独立。
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2. 加速比S
加速比是指流水线的速度与等功能非流水 线的速度之比。
S＝T非流水／T流水 （其中T流水和T非流水分别为按流水和按非流水 方式处理 n 个任务所需的时间）
若流水线为 m 段，且各段时间相等，均 为△t0 ，则：
T非流水＝n m△t0 T流水＝m△t0＋(n－1)△t0
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计算机组成与结构
第八章 流水线技术
8.1 流水线的基本概念 8.2 流水线性能分析
8.3 流水线中的相关 ◆ 结构相关 ◆ 数据相关 ◆ 控制相关 8.4 流水线的调度
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第八章 流水线技术
8.1
流水线原理
8.1.1 流水线的基本概念
1. 产品生产流水线 下面通过一个例子来说明流水线的好处:
◆ 顺序流动流水线：流水线输出端任务流出的顺
序与输入端任务流入的顺序相同。
◆ 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。
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第八章 流水线技术
8.2 流水线性能分析
1. 吞吐率
吞吐率是指单位时间内流水线所完成的任 务数或输出结果的数量。 (1) 最大吞吐率TPmax 最大吞吐率是指流水线在连续流动达到 稳定状态后所得到的吞吐率。
n
TPmax 1 ＝ ──────── ＝ ───── m － 1 1 (1＋ n )△t0 1＋ m－ n TP ＜ TPmax
当n >> m 时，TP ≈TPmax
◆ 第二种情况：各段时间不等
时空图
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8.2 流水线的性能分析
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8.1 流水线原理
解决方法：
1．将程序地址空间和数据地址空间分开，两个地址空
间提供独立访问的能力。 2．采用低位交叉并行访问存储器。 3．采用先行控制技术。
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8.1 流水线原理
采用先行控制技术的处理机结构
8.1 流水线原理
5. 浮点加法流水线 把浮点加法的全过程分解为“求阶差”、 “对
阶”、“尾数相加”、“规格化”四个子过程，
并让 它们分别用各自独立的部件来实现。 理想情况：速度提高3倍
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8.1 流水线原理
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◆ 消除瓶颈的方法
(举例)
细分瓶颈段
重复设臵瓶颈段
(时-空图)
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重复设臵瓶颈段(时-空图举例)
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8.2 流水线的性能分析
(2) 实际吞吐率TP 流水线的实际吞吐率小于最大吞吐率。
◆ 第一种情况：各段时间相等（设为△t0）
假设流水线由 m 段组成，完成 n 个任务。
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8.1 流水线原理
(2) 一次重叠方式
取指i-1 分析i-1 执行i-1 取指i 分析i 执行i 取指i+1 分析i+1 执行i+1
程序总执行时间为：
T一次 ＝ t取 ﹢t分 ﹢t执 ﹢∑ (t分+t执)
＝3 △t
n
﹢(n-1)2
i=2 △t
＝ (2n+1) △ t
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8.1 流水线原理
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8.1 流水线原理
◆ 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， 每个处理机完成一项任务。 动画解析
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8．流水技术的特点
(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” 的数 (2) 目称为流水线的“深度”。 每个子过程由专用的功能段实现；
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8.1 流水线原理
(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，会造成流水线的 “堵塞”和“断流”。这个时间一般为一个时钟 周期 (4) （拍）； 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 (5) 态，每一个时钟周期（拍）流出一个结果； 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，流水线的效率才能充分发 挥。
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8.1 流水线原理
（2）解决多功能段访存冲突问题
当指令在流水线中执行时，在二次重叠方式下流水 线完全充满时，三个功能段同时工作。