流水线的多发射技术
流水线(Pipeline)介绍
ADD Ra，Rb， Rc LD Rf，F SD Ra，A
IF ID EX MEM WB
IF ID EX MEM WB
SUB Rd，Re， Rf SD Rd，D
IF ID EX MEM WB
IF ID EX MEM WB
28
动态调度
有些信息在译码时难以确定，如是否发生异 常、访存操作需要多少周期等，静态调度就 不能完成。 动态调度：硬件会重新安排指令的执行顺序 以减少停顿并同时保持数据流和异常行为。 优点：有些相关编译无法检测、编译器更加 简单、程序性能对机器依赖少
i: DSUB R1,R2,R3 j: DADD R4,R1,R3
17
写后写冲突（WAW: Write After Write） 在 i 写入之前，j 先写。最后写入的结果 i 是 错误的。 这对应“输出相关”，寄存器换名技术可以 消除 i: DSUB R1,R4,R3
j: DADD R1,R2,R3 k: DMUL R6,R1,R7
Tomasulo算法小结
通过动态调度缓解流水线阻塞：例如减少CACHE 失效对性能的影响 保留站：重命名寄存器+缓存源操作数 •避免寄存器成为瓶颈 •避免WAW和WAR阻塞 •缺点： •硬件复杂性 •结果总线成为瓶颈，多条结果总线增加硬 件复杂度
39
流水线技术一直是提高处理器速度的最有效 技术之一。但目前的在相关处插入阻塞，转发技 术，编译器调度都是尽量分离相关问题的指令， 使他们不会导致冲突，从而减少暂停的影响。虽 然都会相应的显著减少数据相关的次数提高流水 效率，但也会不可避免的增加硬件复杂度和编译 器的复杂性。 而动态调度则可以以硬件的方式调整指令执 行顺序，使不相关的后续指令得以不受暂停的影 响而继续执行，可以在降低编译器复杂度的同时 处理一些编译阶段无法知道的相关，在出现数据 冒险是尽量避免出现流水暂停。
计算机原理名词解释
1. 虚拟计算机是指由软件实现的机器。
2. 软件兼容是指同一个软件（目标程序）可以不加修改地运行于体系结构相同的各档次的机器，而且所得结果一致。
3. 多功能流水线是指流水线的各段在不同的时间内或在同一时间内，通过不同的连接方式实现不同的处理功能。
4. 全局相关即控制相关是指在流水线的机器中，由于转移指令或中断引起程序执行方向的改变，使得转移指令或中断引起的断点指令与后续指令不能同时在流水线中执行。
5. 并行存储器是指通过设置多个存储器或存储体，使它们并行工作，在一个存储周期内可以访问到多个存储字。
6. 多发射是指在一个时钟周期内能够启动多条指令进入取指阶段。
1. 系列机是指由同一个厂家生产的体系结构相同、组成和实现不同的一系列不同型号的机器。
2. 耦合度是指用来反映多机系统中各机器之间物理连接的紧密程度和交互作用能力的强弱。
3. 非线性流水线是指在流水线各段之间除有串行连接之外，还有反馈回路，数据流经有反馈回路的功能段的次数可以有多次。
4. 局部相关即数据相关是指在流水线的机器中，程序中相近的两条指令要对同一存储单元进行操作时，应有一定的先后次序，否则会导致数据供求关系上的冲突，引发程序执行错误。
5. 存储系统是指两个或两个以上速度、容量和价格各不相同的存储器用硬件或软件或硬件与软件相结合的方法有机地连接起来的一个集合，其对应用程序员是一个透明的存储器，并具有速度高、容量大、价格低的特性。
6. 单发射是指在一个时钟周期内平均至多仅能够启动一条指令进入取指阶段。
计算机体系结构：机器语言程序员所必须了解的机器概念性结构和功能特性。
软件可移植性：软件不修改或少量修改就可由一台机器搬到另一台机器上运行，同一软件可应用于不同的环境。
顺序流动：任务从流水线流出的次序同他们流入流水线的次序一样。
一次重叠：一次重叠执行方式是指在任何时刻，处理机中之多只有一条指令在同时执行。
虚拟通道：两个节点之间的逻辑链，它由节点的片缓冲区，节点间的物理通道以及接受点的片缓冲区组成。
多发射处理器的指令调度算法研究
第 29 卷 第 12 期2008 年12 月井冈山学院学报（自然科学）Journal of Jinggangshan University(Science and Technology)Vol 〃29 No 〃12Dec 〃2008多发射处理器的指令调度算法研究孙凌宇，冷 明，夏洁武，李金忠（井冈山大学 信息科学与传媒学院， 江西 吉安 343009）[摘要] RI S C 体系作为精简指令集计算机的兴起，使得多发射处理器的指令调度算法成为研究热点。
本文从程序 块划分和执行角度，讨论了多发射处理器的指令调度算法，介绍了几种局部指令和全局指令调度的影响力较大 的算法。
它们通过指令调度的优化，提高多发射处理器内部功能部件的执行并行性。
本文还给出了进一步研究 方向，构造多发射结构多处理器并行处理系统，实现处理器之间的并行技术和处理器内部的并行技术的整合。
[关键词] 精简指令集计算机；处理器；多发射结构；指令调度算法 [中图分类号] TP391[文献标识码] A[文章编号] 1673－4718（2008）12－0025－030 引言由于VLSI 工艺迅速发展改变了传统计算机设 计思想、指令系统运行效率的二八法则、计算机系 统的软硬件间优化划分等因素，使得20世纪80年代 初 兴起的精简指令集计算机 （RISC ：Reduce Instruction Set Computer ）技术一直是计算机处理器 发展的主流，其发展方向是尽量减少平均每条指令 执行的所需周期数 （CPI ：Cycle PerInstruction ），或 者尽量提高平均每个周期可执行的指令数 （IPC ： Instruction Per Cycle ），使得流水线设计和优化编译 成为关键技术。
然而，即使假设在理想情况下，IPC 因 为单发射的RISC 使得在每个周期只发射一条指令， 限制IPC 只能小于或等于1。
因此，RISC 由单发射逐 渐演变成多发射，在流水线基础上每个周期可以发 射多条指令，但这也使得多发射处理器中的指令调 度算法更为重要[1]。
cpu的ipc机制
CPU的IPC机制什么是IPCIPC（Inter-Process Communication）即进程间通信，是指不同进程之间进行数据交换和共享的机制。
在计算机系统中，多个进程可能需要相互协作完成任务，而IPC机制提供了一种有效的方式来实现进程间的通信。
CPU的IPC在计算机体系结构中，指令级并行（Instruction-Level Parallelism，简称ILP）是指在一个程序中的不同指令之间存在的并行性。
而CPU的IPC（Instructions Per Cycle）机制就是一种用于提高指令级并行性的技术。
IPC是衡量CPU性能的一个重要指标，它表示在一个时钟周期内可以执行的指令数量。
IPC的值越高，表示CPU在同一时间周期内可以执行更多的指令，从而提高了CPU的效率。
提高IPC的技术1. 流水线流水线是一种将指令执行过程划分为多个阶段的技术。
在流水线中，每个阶段都可以同时处理不同的指令，从而实现指令级并行。
流水线可以将指令的执行时间缩短，提高CPU的吞吐量。
流水线的基本原理是将指令的执行过程划分为取指、译码、执行、访存和写回等多个阶段，并将这些阶段连接起来，使得每个阶段都可以同时处理不同的指令。
通过这种方式，CPU可以在同一时钟周期内同时执行多条指令，提高IPC的值。
2. 超标量超标量是指在一个时钟周期内可以同时发射多条指令的技术。
传统的CPU一次只能发射一条指令，而超标量技术可以同时发射多条指令到不同的执行单元，从而提高了IPC的值。
超标量技术需要具备多个执行单元和指令调度器。
指令调度器负责将多条指令按照其依赖关系进行调度，并将其发送到不同的执行单元执行。
通过这种方式，CPU可以在同一时钟周期内同时执行多条指令，提高了CPU的效率。
3. 动态调度动态调度是指在运行时根据指令的依赖关系动态地调度指令的执行顺序。
传统的静态调度是在编译时根据指令的依赖关系确定指令的执行顺序，而动态调度可以在运行时根据实际情况进行调度。
第5章标量处理机(5.7) 超标量超流水处理机
计算机科学与技术
超标量处理机的结构
超标量处理机至少具有两套或者两条以上完整的 指令执行部件。 高性能的超标量处理机通常还设置一个先行指令 窗口： 能够从指令Cache中预取多条指令 能够对窗口内的指令进行数据相关性分析和功 能部件冲突的检测 窗口的大小：一般为2至8条指令
yangruioot@
计算机科学与技术
实际指令级并行度与理论指令级并行度的关系
当横坐标给出的理论指令级并行度比较低时，处 理机的实际指令级并行度的提高比较快。 当理论指令级并行度进一步增加时，处理机实际 指令级并行度提高的速度越来越慢。 在实际设计超标量、超流水线、超标量超流水线 处理机的指令级并行度时要适当，否则，有可能 造成花费了大量的硬件，但实际上处理机所能达 到的指令级并行度并不高。 目前，一般认为，m 和 n 都不要超过4。
多条无数据相关和控制相关的指令在单发射处理机中 的时空图如图
度为1
部件 写结果 执行 译码 取指 0 1 1 1 2 2 1 2 3 3 1 2 3 4 4 2 3 4 5 5 3 4 5 6 6 4 5 6 7 7 5 6 7 8 8 6 7 8 9 9 7 8 9 10 10 8 9 10 11 11 9 10 11 12 12 13 14 15 10 11 12 11 12 12
写结果
图 5 44 超 标 量 超 流 水 线 时 空 图
在一台指令并行度为（m， n）的超标量超流水线处理机 上，连续执行没有相关的N条 指令的所需要的时间为：
T ( m, n ) ( k N m ) t nm
执行 译码 取指
超标量超流水线处理机相对 于单流水线普通标量处理机的 加速比为：
mips中为了减少停顿 采用的技术
mips中为了减少停顿采用的技术MIPS是一种常用的指令集架构，它采用了一系列的技术来优化指令的执行过程，从而减少停顿，提高程序的执行效率。
本文将介绍MIPS中为了减少停顿所采用的一些技术。
一、流水线技术流水线技术是指将指令的执行过程分为若干个阶段，然后将不同指令的不同阶段交错在一起，从而使得多条指令可以同时执行，提高了程序的执行效率。
MIPS中采用了五级流水线技术，将指令的执行过程分为取指阶段、译码阶段、执行阶段、访存阶段和写回阶段。
这样，每条指令在执行时都可以同时进行不同的阶段，从而提高了程序的执行效率。
二、分支预测技术分支指令是指在程序执行过程中需要根据条件进行跳转的指令。
在MIPS中，分支指令的执行会影响到流水线的执行顺序，从而导致停顿的发生。
为了减少这种停顿，MIPS采用了分支预测技术。
分支预测技术是指根据历史执行情况，对分支指令的跳转方向进行预测。
如果预测正确，程序可以继续执行；如果预测错误，程序会回滚到分支指令的位置重新执行。
通过这种技术，可以减少分支指令带来的停顿，提高程序的执行效率。
三、乱序执行技术乱序执行技术是指在流水线执行过程中，根据指令之间的依赖关系，动态调整指令的执行顺序，从而减少停顿的发生。
MIPS中采用了乱序执行技术，将指令的执行顺序动态调整，使得不同指令之间的依赖关系得到了更好的处理。
通过这种技术，可以充分利用流水线的并行性，提高程序的执行效率。
四、多发射技术多发射技术是指在一个时钟周期内同时发射多条指令，从而提高程序的执行效率。
MIPS中采用了多发射技术，将流水线分为多个单元，并且每个单元都可以发射一条指令。
通过这种技术，可以使得多条指令可以同时执行，提高程序的执行效率。
五、数据前推技术数据前推技术是指在指令执行过程中，将计算结果直接传递给需要使用这个结果的指令，从而减少停顿的发生。
MIPS中采用了数据前推技术，将计算结果直接传递给需要使用这个结果的指令，从而避免了停顿的发生，提高了程序的执行效率。
流水线原理——ILP
llxx@ 18
直到C6，数据才可用
指令调度
• 指令调度，是RISC微处理器编译技术之一。 • 指令调度是解决数据相关的最经济的方法，它可以解决RAW、WAR 和WAW数据相关。 • 假设有这样一个指令序列： I0: R1+R2R3 I1: R3+R4R5 I2: R7 OR R8R9 • 假定我们按下列方法重新安排指令次序： R1+R2 R3 R7 OR R8 R9 R3+R4 R5
从此开始，每个 周期流出一条指 令，IPC≈1
Execute Store res.
pipelined instruction execution
Time
llxx@
9
流水线分类
• 单功能流水线：只能完成一种功能的流水线，如浮点加法 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 使流水线在不同的时间完成不同的功能。 • 静态流水线：在某一时间段内，流水线的各段只能按同一 种功能的连接方式工作，即只有当输入是一串相同性质的 操作时其性能才能得到发挥。 • 动态流水线：在某一段时间内，某些段正在实现某类操作 （定点乘），其他段却在实现另一类操作（浮点加）。 • 线性流水线：流水线的各段串行连接，没有反馈回路。 • 非线性流水线：流水线中除了串行的通路，还有反馈回来。 • 顺序流水线：流水线的流出顺序与其流入顺序相同。 • 乱序流水线：流水线的流出顺序与其流入顺序不同。
Pipelined
non-pipelined dish cleaning
Time
pipelined dish cleaning
Time
• 流水过程由多个相互联系的子过程组成，每个子过程称为 流水线的“级”或“段”。
流水线(Pipeline)介绍PPT课件
.
16
写后读冒险（RAW: Read After Write）
❖ 在 i 写入之前，j 先去读。j 会错误的获取旧 值。
❖ 这对应“真数据相关”，为了确保j可以得到 正确的i值，必须保持程序的顺序。
i: DSUB R1,R2,R3 j: DADD R4,R1,R3ຫໍສະໝຸດ DSUB R4，R1，R5
IM
Reg
DM
Reg
XOR R6，R1，R7
IM
Reg
DM
AND R8，R1，R9
IM
Reg
OR R10，R1，R11
IM
Reg
AND,OR操作不会暂停，但是DSUB,XOR指
令需要等待DADD在WB阶段写回数据后才
可以执行。
.
15
2.4 数据冒险的解决办法
❖ 根据指令中读写访问的顺序，可以将数据冒 险分为三类。分别是:
处理器流水线相 关技术
报告人：Hardy
.
1
流水线技术
❖1.流水线的概念 ❖2.流水线的冒险和冒险的解决办法 ❖3.多发射处理器
.
2
1.流水线的概念
❖ 流水线技术：
把一个重复的过程分解为若干个子过程，每个子过 程由专门的功能部件来实现。将多个处理过程在时 间上错开，依次通过各功能段，这样，每个子过程 就可以与其他子过程并行进行。
.
5
采用相同的功能模块，指令顺序执行和按照流水线
技术执行，在时间上可以看出流水线指令的执行速
度提高了4倍。
.
6
流水线的基本作用
流水线增大了CPU的指令吞吐量—即单位时 间执行指令的条数，但是它未减少指令各自 的执行时间。实际上流水线技术要对流水线 附加一些控制，因而了增加开销，使单条指 令执行时间略有增加。吞吐量的增大意味着 程序运行的更快，总的执行时间变短，尽管 没有一条指令的执行变快。
ILP开发的技术
综述：ILP开发的技术前言：自1985年以来，所有的处理器都采用流水线方式使指令的执行可以重叠进行以提高性能。
由于可以将指令间的关系看做是并行的，因此将指令间的这种潜在重叠称为指令级并行。
于是可以提高对并行的开发能力的相关技术越来越受到人们的关注。
开发指令级并行的方法大致可以分为两类，一种方法是依赖硬件，动态地发现和开发指令级并行；另一种方法是依赖与软件技术，在编译阶段静态地发现。
本文中将着重讨论一系列技术，这些技术都是用来提高指令序列的并行度和扩展流水线的。
1.静态编译技术基本流水线调度：要保持一条流水线不停顿，就要去发现可以流水重叠的不想关的指令序列，并加以充分利用，为避免流水线的停顿，就要事先找出指令代码中的相关指令并将它们分离，使其相隔的时钟周期能正好等于原来指令在流水执行时的时延，编译器进行这类调度的能力既依赖与程序的指令级并行度，也依赖与流水线中功能单元的时延循环展开：为了增加有效操作对转移和开销指令的比重，循环展开可以通过多次复制循环体和调整循环中止码来实现。
循环展开因为它可以消除转移，所以它也可以用来改进调度。
并且循环展开这种转换方法对于各种处理器，从简单流水线到超标量多发射结构等等都适用。
但是这种转换也确实增加了现代编译器的复杂度。
预测技术：由于需要通过转移冒险和停顿来保持控制相关，因此转移会降低流水线的性能，上文提到的循环展开是减小转移冒险的方法之一，另外还可以通过转移预测技术来减小转移引起的性能损耗。
而且想要开发指令级并行，转移预测的准确率是个关键问题。
可以通过缓存的容量，增加每次预测所使用的预测方案的准确率。
2.动态调度机制一个简单的静态调度流水线负责取指令并将它发射出去，除非流水线中的指令与取到的指令之间存在数据相关，而且无法通过旁路技术和直接通路技术避免数据相关，如果有无法避免的数据相关，那么检测冒险的硬件将从使用相关结果的指令开始暂停流水线，停止取指令和发射指令的工作，直到相关被清除，而动态调度技术就是通过硬件对指令执行顺序进行重组，在保持数据流和异常行为的同时减少停顿，它可以处理一些在编译阶段无法预见的相关情况，同时它简化了编译器的设计，但是动态调度的这些优势是以硬件复杂度的显著增加为代价的。
多发射指令的算法细节讲解
循环展开4次(straightforward way)
1 Loop: LD
2
ADDD
3
SD
4
LD
5
ADDD
6
SD
7
LD
8
ADDD
9
SD
10
LD
11
ADDD
12
SD
13
SUBI
14
BNEZ
15
NOP
F0,0(R1) stall
F4,F0,F2 stall stall
0(R1),F4
;drop SUBI & BNEZ
Ch 4 指令级并行
Embedded System Lab Fall 2012
4.1 指令级并行 （Instruction Level Parallelism)
• 相关是程序运行的本质特征
• 相关带来数据冒险
Loop: LD F0,0(R1) SUBI R2,R2,8
• 冒险导致CPU停顿 Stall
产生结果的指令 FP ALU op FP ALU op Load double Load double Integer op
使用结果的指令 Another FP ALU op Store double FP ALU op Store double Integer op
所需的延时 3 2 1 0 0
• 需要在哪里加stalls?（假设分支在ID段得到地址和条件）
A[1] = A[1] + B[1];
for (i=1; i<=99; i=i+1) {
NEW:
B[i+1] = C[i] + D[i];
A[i+1] = A[i+1] + B[i+1];
可扩展32位微处理器指令多发射技术的研究
可扩 展 ３ 位微处理器指 令 多发射技术 的研 究 ２
王琦瑛 ， 宁梅 ， 伟 余 路
ＷＡＮＧ Ｑｉｉｇ Ｙ Ｎｉｇ ｉ Ｕ Ｗｅ ｙｎ ， Ｕ ｎ ｍｅ， ｉ Ｌ
需求 ， 嵌入 的加速 部件 更突 出强化 数据处 理单 元的特 征和特
射 一条指令 的限制 ， 增强并行执 行程序 的能 力 ， 提高处理 器 是
运算 速度的有效方法 。
定应 用需求 。结 合 了加速部 件 的“ 专设专 用 ” 特性 ， 得微处 使 理器具有指令执行针对性强， 效率高， 满足应用场景的多样化 需求 ， 提高 芯片应用 的灵活性 ， 因此将 上述两大特征 合二为一 的设计思想及其实现模式具有远大的前瞻意义。
ｔ ｌｗ ｂ ｂ ｌ， ｉｈ ｔｒ ｕ ｈ ｕ ｍｕｔ ｉｓ ｅ ｔｕ ｔｒ ｃ ｍｂｎ ｄ ｙ，ｏ ｕ ｂｅ ｈｇ ｈｏ ｇ ｐ ｔ ｌ—ｓｕ ｓｒｃｕｅ， ｏ ｉｅ ｗｉ ｉ ｓ ｅ ｉｃ ｐ ｉ ｚｔｏ ｓ ａｅ ｉｓ ｔｅ ｔ ｃｕ ｅ ｏ ｔｅ ｉ ｔ ｔ ｐ ｃｆ ｏ ｔ ｈ ｓ ｉ ｍｉａｉｎ ｔ ｔｇｅ ，ｈ ｓｒ ｔ ｒ ｆ ｒ ｈ ｒ ｕ ８ ｉｓ ｅ ｕ ｃｉｎ ｅｆｃｉｅｙ ｍｐ ｏ ｅ ｈ ｉｓ ｅ ｆ ｃｅ ｃ ａ ｄ ｙ ｔｍ ｆｅ ｕ ｎ ｙＡｎ ｔ ｔｉ ｌｔ ｒ ，ｔ ｃ ｎ ｅ ｅ ｕｐ ｅ ｗｉ － ｕ ｆｎ ｔ ｆｅ ｔ ｌ ｉ ｒｖ ｓ ｔ ｅ ｓｕ ｅ ｉｎ ｙ ｎ ｓ ｓｅ ｒ ｑ ｅ ｃ ． ｄ ａ ｈｓ ａｆ ｍ ｉ ａ ｂ ｑ ｉｐ ｄ ｓ ｏ ｖ ｉ ｐ ｏ ｔ ｈ
10-3 超标量、超级流水线和超长指令字计算机(郑宏)
• 单发射处理机在指令一级通 常采用流水线结构；
• 单发射处理机的设计目标是 每个时钟周期平均执行一条 机器指令；但由于转移和数 据相关的问题，还有其它的 资源冲突，使得实际上达不 到这一目标。
单发射和多发射
多发射
– 在一个时钟周期中发出多条指令。 – 常见的多发射处理机有：
✓ 超标量处理机 ✓ 超流水线处理机 ✓ 超长指令字（ VLIW ）处理机。
超标量处理机
特点：
– 有两条或两条以上能够同时工作的指令流水线；
– 一个时钟周期内能够同时发射多条指令。
1
I1
IF
I2
IF
I3
IF
I4
I5
I6
I7
I8
I9
I10
I11
I12 指令
2
3
4
5
ID
EX
WR
时钟周期
ID
EX
WR
ID
EX
WR
IF
ID
EX
WR
IF
ID
EX
WR
IF
ID
EX
WR
IF
ID
EX
WR
IF
超长指令字处理机
特点：
– 指令字长很长，可达数百位；
– 有多个功能部件并发工作；
– 用一条长指令来实现多个操作的并行执行；
1I1ຫໍສະໝຸດ IFI2I3
2
3
4
5
ID
EX
WR
时钟周期
EX
EX
IF
ID
EX
WR
EX
EX
IF
ID
EX
WR
EX
计算机组成原理中的指令流水线与超标量
计算机组成原理中的指令流水线与超标量计算机组成原理是计算机科学中的重要概念之一，它研究了计算机的硬件组成和工作原理。
其中，指令流水线和超标量技术是提高计算机性能的重要手段。
本文将介绍指令流水线和超标量技术的基本原理，并讨论它们在计算机系统中的应用。
一、指令流水线指令流水线是一种将指令执行过程分为多个阶段，并且在每个阶段中同时执行多条指令的技术。
通过将指令执行过程划分为多个独立的阶段，可以使得指令在执行过程中能够重叠进行，从而提高了计算机的运行速度。
指令流水线通常包括取指、译码、执行、访存和写回这五个阶段。
在每个时钟周期中，各个阶段同时执行不同的指令，以提高整个系统的效率。
每个指令在通过流水线的各个阶段时，都经历了不同的处理过程，最终完成指令的执行。
指令流水线的优点在于它可以充分利用计算机资源，提高处理器的性能。
然而，指令流水线技术也存在一些问题，例如流水线冲突和分支预测错误。
流水线冲突指的是由于数据相关性等原因导致指令无法按照顺序执行，而需要等待前一条指令完成。
分支预测错误则是指在程序执行过程中，由于分支指令的条件未知，导致指令流水线中的指令被误判，从而浪费了计算资源。
二、超标量技术超标量技术是指在一个时钟周期内同时发射多条指令，并且在多个功能部件上同时执行这些指令的技术。
相比于指令流水线，超标量技术更进一步地提高了计算机的性能。
超标量技术的核心是多发射和多功能部件。
多发射指的是在一个时钟周期内同时发射多条指令到流水线中。
多功能部件则是指在处理器中使用多个功能部件，以同时执行多条指令，从而提高计算机的性能。
超标量技术的优点在于它可以同时执行多条指令，提高计算机处理的并行性。
通过在一个时钟周期中同时发射多条指令，并在多个功能部件上执行这些指令，可以充分利用计算机资源，提高处理器的性能。
然而，超标量技术也存在一些问题，例如硬件复杂度和资源分配等。
由于需要同时执行多条指令，并且在多个功能部件上执行，因此需要更多的硬件资源来支持。
多输人多输出的比特交织编码调制技术
然而， 最大似 然接收机的复杂 度随 发射天 线的 数目 信道编 和
码的块长指数增长。 这对一个实际系统来说基本不可行。因 此， 低复杂度的次优解码法就是多输入多输出比特交织编码 调制技术技术实用化的关键。 迭代算法的时序设计和收敛速 度是决定多输入多输出比特交织编码调制技术算法复杂度 的关键。此外， 线性或非线性检测器的选择及其算法实现和 解码迭代算法的选择和迭代停止判决也直接影响系统的性 能和计算复杂度。 针对无线通信信道复杂多变的特点， 系统地考虑和分析 信道衰落、 信道扩展等各种动态因素， 以理论分析和实验验 证相结合 ， 探讨建立多输人多输出比特交织编码调制技术系
【】 ． ａ ｅ Ｇ． ａ ｃｏ ａｄＥ Ｂｇｅｉ “ ｉ Ｉｔ ｌａｅ ３ Ｇ Ｃ ｉ ， Ｔ ｆ ｃ， ｎ ． ｉｌｒ ｒ ｉ ｉ ． Ｂｔ ｎｅ ｅｖｄ － ｒ
Ｃ ｄ ｄ Ｍｏ ｕ ａ ｉｎ ． Ｅ ｒ ｎ ． ｎ ｎ ｏ ｍ． ｈ ｏ ｙ ９ ８ ５ ｏ ｅ ｄ ｌｔ ” Ｉ ＥＥ Ｔ ａ ｓ ｏ ｌ ｆ ｒ Ｔ ｅ ｒ ．１ ９ ． ． ｏ
中图分 类号 ： ７ ０ Ｇ １
文献 标 识码 ： Ａ
文章 编 号 ：０ ９ ３７ （０ ）５ ６ — ２ １０ — ８７ ２ １ ０ — ７０ １
输速率。由于无线通信借以提高数据传输速率的 传统资 源 ——频率带宽和 发射功率——目 前都已濒临饱和， 因此要 依靠增加这两种资源的 损耗来提高传 输率已 不可取。 多输人多输出比特交织编码调制技术（ Ｉ０ ＢＣ 采 ＭＭ 一ＩＭ）
ｃ ｎ ｒ ｅ ｃ ｏ Ｗｉｅｅ ｓ Ｃ ｍｍｕ ｉ ａｉｎ ， Ｎｅ ｗ ｒ ｉｇ ａ ｄ ｏ ｆｅ ｎ ｅ ｎ ｒ ｌｓ ｏ ｎｃｔ ｓ ｏ ｔ ｏｋｎ ｎ Ｍｏ ｉ ｍｐ ｔ ｇ ２ ０ ， ． ｂ ｌ Ｃｏ ｕ ｉ ， ０ ７ ２１ ｅ ｎ
ARMv7架构形成ARMCortex-A9先天优势
ARMv7架构形成ARMCortex-A9先天优势近年来，随着⽤户对智能⼿机、MID等产品的需求⽇益呈现多元化与差异化趋势，产业上游的芯⽚设计⼚商的新品研发周期不断缩短，并在架构、性能与功耗⽅⾯取得了长⾜进步。
作为占有全球95%⼿机芯⽚市场份额的绝对王者，ARM公司发布的ARM Cortex-A9处理器，已经成为全球最受推崇的移动互联芯⽚⽅案。
⽬前，经由ARM公司授权，Nvidia、三星、NEC、德州仪器、意法半导体、Amlogic等知名芯⽚设计⼚商均已发布或推出了ARM Cortex-A9系列处理器，并开始应⽤于MID/平板领域，随着越来越多的芯⽚设计⼚商陆续加⼊ARM Cortex-A9阵营，可以预见，在上游⼚商的强⼒技术⽀持下，2011年的MID/平板产品将跃上ARM Cortex-A9的崭新平台，以更强劲的性能表现、更均衡的功耗管理、更完善的应⽤扩展，为⼴⼤玩家带来更好的移动互联体验。
漫长的ARM处理器演化进程，催⽣IT产业由低效单⼀向⾼效互联转型⼀、市场扫描：ARM Cortex-A9正在成为明年MID标准配置为了便于各位玩家对于今年年末⾄明年年初的MID市场有⼀个较为直观的预判，笔者⾸先为你概览并分析近三个⽉内市场最值得关注的ARM Cortex-A9处理器MID产品。
⾳悦汇W10，瞩⽬新星，巅峰蜕变⾳悦汇W10，是⽬前国内市场最受关注的⾼性能MID，其配置了ARM Cortex-A9处理器，每核⼼平均同频性能⽐Cortex-A8提⾼了20%，标配512MB DDR2内存，并且搭载了⽬前最受欢迎的Android 2.2系统，⽀持Flash 10.1视频，在GPU图形处理⽅⾯，⾳悦汇W10采⽤Mali-400核⼼，⽀持OpenGL ES 1.x/2.0接⼝，拥有多达4个⽚段处理引擎，带来逼真出⾊的3D特效。
同时，⾳悦汇W10还集成了SIMD图形加速器，实现1080P多格式视频的解码能⼒，并⽀持传感器、USB、蓝⽛键盘、HDMI输出扩展，此外，据称W10还可以解码多画⾯重叠的⾼帧数3D视频，并内置GPS导航，⽆疑令⼈对其性能体验充满期待。
第六章 指令流水线
功能段
Ifetch
Reg/Dec
Exec
Mem
°与lw指令相比，少了一个写寄存器的工作。
° 除公共的两个功能段外，其余的是： ° ° Exec功能段：用于在ALU中计算主存地址 Mem功能段：将寄存器读出的数据写到主存
5.Beq指令功能段划分 Beq指令的功能： if(R[Rs]=R[Rt]) then PC PC+4+(SignExt(imm16)×4) else PC PC+4
A
B
C
D
如果让你来管理洗衣店，你会如何安排？
Pipelining: It’s Natural !
Sequential Laundry（串行方式） 6 PM 7 8 9
Time
10
11
Midnight
30 40 20 30 40 20 30 40 20 30 40 20
T a s k O r d e r
流水线中的控制信号
° 在取数/译码（Reg/Dec）阶段产生本指令每个阶段的所有控制信号 • Exec信号 (ExtOp, ALUSrc, ...) 在1个周期后使用 所以，控制信号 • Mem信号 (MemWr, Branch) 在2个周期后使用 也要保存在流水 段寄存器中！ • Wr信号 (MemtoReg, RegWr) 在3个周期后使用
完成 一条指令
5个时间单位
串行执行
流水
5× 4 ＝ 20 个时间单位
8个时间单位
6.1.2 适合流水线的指令集特征
°具有什么特征的指令集有利于流水线执行呢？ • 长度尽量一致，有利于简化取指令和指令译码操作 MIPS指令32位，下址计算方便: PC+4 X86指令从1字节到17字节不等，使取指部件极其复杂 MIPS指令的rs和rt位置一定，在指令译码时就可读rs和rt的值
多发射多流水线结构数字信号处理器设计
Hale Waihona Puke １ ｚ ｗ ｌ ０ ０处 理器 体 系结 构
１ ． １ 指令 集概 述
长指令字 （ Ｖ Ｌ １ ｗ） ｌ ４ Ｊ 、 多核技术 等被广泛采用。
第３ ｌ 卷第 ３期
多发 射 多 流 水 线 结 构 数 字 信 号 处 理 器 设 计
陈 超 ，张 盛兵
（ 西北工业大学 计算机学院 ， 陕西 西安 ７ １ ０ ０ ７ ２ ）
摘
要： ｚ ｗ ｌ ０ ０处理 器是 西北工业 大学和 某研 究所共 同研 制 的采 用 ＭＣ Ｕ — Ｄ Ｓ Ｐ相 融合 架构 的 ３ ２位 数
用程 序存储 空 间和 数据 存 储 空 间分 开 的哈 佛结 构 ， 可 同时对 程序 和数据 进行 寻址 。核 内一般具 有多 个
用的嵌 入式 数字 信号 处理 器 （ ｚ ｗ ｌ Ｏ ０ ） 的设 计 ， 该 Ｄ Ｓ Ｐ处 理器是 西北 工业 大学 和某研 究所 共 同研 制 的 ３ ２ 位数字信号处 理器 ， 采用 Ｍ Ｃ Ｕ与 Ｄ Ｓ Ｐ相融合架 构， 采 用 多发 射 多 流 水 线 的 ３ ２位 Ｄ Ｓ Ｐ ， 将 Ｒ Ｉ Ｓ Ｃ ｌ ｏ ａ ／ｓ ｄ ｔ ｏ ｒ ｅ 体系结 构、 Ｄ Ｓ Ｐ的计算 能力和 Ｍ Ｃ Ｕ的实 时控制能力等特点组合在一个核心 内， 实现 了每秒 ２ Ｇ Ｍ Ａ Ｃ运算能力， 可广泛面 向高性能 、 低功耗 、 实
时嵌入 式 Ｄ Ｓ Ｐ系 统应用 。
执行部件 ， 并广泛采用流水线技术 ， 提供 特殊 Ｄ Ｓ Ｐ 处理指令 ， 可以快 速实现各种数字信号处 理算 法。 凭借其独特 的硬件结构 和出色 的数字信号处理能 力， 广泛应用于通信与信息 系统 、 信号与信息处理 、 多媒体 和移 动终端 等许 多领域 。为适应不 断发 展 的 应 用需 求 ， Ｄ Ｓ Ｐ处 理器 朝 着 不 断提 高 性 能 和增 强 控
计算机硬件基础名词解释
硬件基础名词解释流水线技术:将功能部件分离、执行时间重叠的一种技术，它可以在增加尽可能少的硬件设备情况下有效地提高CPU性能。
超流水线技术:把流水段进一步细分，使各段的功能部件在每个时钟周期内被使用多次，这样，在一个时钟周期内多条指令流入流水线，即在一个基本时钟周期内分时发射多条指令。
超标量:超标量处理器是指在处理器中安排多个指令执行部件，多条指令可以被同时启动和独立执行。
多核技术:在一个处理器封装中包含多个处理器核心。
超长指令字: VLIW中编译器经过优化策略，将多条能并行执行的指令合并成一条具有多个操作码的超长指令。
微程序：完成指定任务的微指令序列称为微程序。
微程序存储器：存放计算机指令系统所对应的所有微程序的一个专门存储器。
通道程序：通道控制器和I/O处理器可以独立地执行一系列的I/O操作，I/O操作序列被称为I/O通道程序。
指令系统：一台计算机能执行的机器指令全体称为该机的指令系统。
堆栈：堆栈是一种按特定顺序访问的存储区；其特点是后进先出(LIFO)或先进后出(FILO)。
输入输出系统：通常把I/O设备及其接口线路、控制部件、通道或I/O处理器以及I/O软件统称为输入输出系统。
接口：接口是CPU与“外部世界”的连接电路，负责“中转”各种信息。
中断：由于内部/外部事件或由程序的预先安排引起CPU暂停现行程序，转而处理随机到来的事件，待处理完后再回到被暂停的程序继续执行，这个过程就是中断。
中断系统：是计算机实现中断功能的软、硬件的总称。
中断向量：把中断服务程序的首址PC和初始PSW称为中断向量。
数据通路：数据在功能部件之间传送的路径称为数据通路。
寻址方式：指定当前指令的操作数地址以及下条指令地址的方法称为寻址方式。
有效地址：数据实际存在的存储器地址。
波特率：单位时间内传送的二进制数据的位数，以位/秒（b/s）表示，也称为数据位率。
它是衡量串行通信速率的重要指标。
指令助记符：为了便于书写和阅读程序，每条指令通常用3个或4个英文缩写字母来表示。
超标量流水线多发射策略教学要点与教学方法探讨
超标量流水线多发射策略教学要点与教学方法探讨摘要:计算机系统结构课程中超标量流水线的多发射策略是教学的重点和难点,文章介绍在讲授多发射策略时遇到的指令发射过程和数据写回过程方面的问题,提出在教材的基础上引入了带有先行窗口的双发射超标量流水线、重排序缓冲器和调度栈等实例,既充实了超标量流水线的内容,又有效地化解了教学难点。
关键词:计算机系统结构;超标量流水线;多发射策略;重排序缓冲器;调度栈计算机系统结构是一门从组织和结构的角度上学习和领会计算机系统的课程,是计算机专业学生的一门重要专业基础课。
现代的计算机系统结构中几乎处处都包含着不同层次的并行处理的概念和技术,计算机系统结构课程中很重要的一部分内容就是介绍不同层次和不同类型的并行性。
超标量流水线是课程的重要内容,特别是超标量流水线引入了真正意义上的指令级并行性,因此超标量也是课程的一个教学难点。
学生从完全串行的环境进入到并行处理的新环境,对其最大的困难是转变看问题和理解问题的观念,真正学会从并行的角度思考问题。
近十年来,天津大学计算机科学与技术学院一直采用由William Stallings编写的《Computer Organization and Architecture Designing for Performance》英文原版书作为教材[1]。
在该教材中,以双发射超标量流水线为例介绍了三种指令多发射策略,即:按序发射-按序完成(IIIC: In-order Issue and In-order Completion)策略,按序发射-无序完成(IIOC: In-order Issue Out-of-order Completion)策略,无序发射-无序完成(OIOC: Out-of-order Issue Out-of-order Completion)策略。
本文结合在超标量流水线多发射策略教学过程中遇到的几个问题进行讨论。
1教学要点与问题1.1IIIC的要点与问题按照教材中的介绍,IIIC策略中的要点有两个方面:一是前一次发射的指令没有完成时,后面的指令不能发射执行;二是一次发射的指令同时执行写回操作。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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）
多发射流水线
0
1
2
3
4
5
6
7
T
正常流水线
Байду номын сангаас
超标量流水线
0
1
2
3
4
5
. 单发射处理机的指令流水线
取指令指令译码执行指令EX写回结果
FA1FA2FA3
浮点加法部件
来自指令
CacheIFIDMD1MD2MD3WR通用寄存器
后行写数栈
乘除法部件
AL
定点算术逻辑部件
LS
取数存数部件
. 同时发射两条指令的多发射处理机的指令流水线
取指令指令译码执行指令写回结果
8 流水线技术（3）
张伟
计算机学院
大纲
.回顾上节内容
.流水线相关
.结构相关
.数据相关
.控制相关
.高级流水线技术
流水线性能分析
.吞吐率（throughput rate）
单位时间内流水线所完成的任务数或输出结果
的数量
.加速比（speedup ratio）
超标量处理机的指令级并行度（ILP）大于1。
改变PC值的指令
结构相关
.1. 在流水线机器中，为了使各种指令组合能顺
利地重叠执行，需要把功能部件流水化，并把资
源重复设置。
.2. 如果某种指令组合因资源冲突而不能顺利重
叠执行，则称该机器具有结构相关。
.3. 常见的导致结构相关的原因：
.功能部件不是全流水
.重复设置的资源的份数不够
.起作用的前题：先知道分支目标地址，后知道分支是否成功。
.对DLX流水线没有任何好处。
.（4）延迟分支（Delayed Branch）
.把分支开销为n 的分支指令看成是延迟长度为n 的分支指令，其后
紧跟有n 个延迟槽Branch-delay Slot 。流水线遇到分支指令时，
按正常方式处理，顺带执行延迟槽中的指令，从而减少分支开销
完成一批任务，使用非流水线执行时间与使用
流水线执行时间之比
.效率（efficiency）
（指流水线的设备利用率）从时空图看，就是
n个任务占用的时空区和m个段总的时空区之
比
流水线中的相关（1）
.流水线中存在一些冲突(冒险Hazard，相关、依
赖Dependence，竞争Competition)的情况，它使
I1 IF ID EX WR 时钟周期
I2 IF ID EX WR
I3 IF ID EX WR
I4 IF ID EX WR
I5 IF ID EX WR
I6 IF ID EX WR
I7 IF ID EX WR
I8 IF ID EX WR
I9 IF ID EX WR
指令
D:\课件开发\chap3-fig1\arch56.gif
.4. 需要暂停的数据相关
.(1) 并非所有的数据相关都可以用定向技术解
决.举例
.(2) 增加流水线互锁硬件，插入“暂停”。
当互锁硬件发现这种相关时，就
暂停流水线，直到相关消失。
举例：演示A（流水线）演示B（时空图）
.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。
，或者改变了之后能够回退。
.若分支失败，则照常执行；否则，从转移目标处开始取指令
执行。
.DLX流水线的处理过程
5段MIPS改进后采用“预测分支失败”，分支
失败无停顿，分支成功有一个时钟周期的停顿；
还可以采用一条延迟指令槽的延迟分支方法
.（3）预测分支成功
.目标地址计算出之后，就开始执行目的地址处的指令
。
.延迟分支以及指令的执行顺序
.分支延迟槽中的指令“掩盖”了流水线原来必需插入的暂停周期
.分支延迟指令的调度
.任务：在延迟槽中放入有用的指令
.糟糕的情况：在延迟槽放置空操作NOP指令
.较好的情况：从分支指令前找到指令放置在延迟槽中，且不影响程序
D:\课件开发\chap3-fig1\arch72.gif
.条件分支指令
.执行分支指令，程序计数器PC值两种情况：
.PC值改变为目标地址（转移成功）
.PC值保持正常（转移失败，顺序执行）
.PC值不定，所以流水线需要暂停，直到确定
了新的PC值为止
.在DLX流水线中，分支转移成功导致暂停3个
时钟周期。
D:\课件开发\chap3-fig1\arch67.gif
.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
SuperSPARC、UltraSPARC等。
超流水线处理机：SGI公司的MIPS R4000、R5000、
R10000等。
超标量超流水线处理机：DEC公司的Alpha等。
超标量处理机基本结构
一般流水线处理机：
一条指令流水线，
一个多功能操作部件，
每个时钟周期平均执行指令的条数小于1。
D:\课件开发\chap3-fig1\arch58.gif
D:\课件开发\chap3-fig1\arch59.gif
D:\课件开发\chap3-fig1\arch60.gif
3.3 流水线中的相关
流水线的控制相关
.分支指令主要有：
.无条件分支指令：跳转、过程调用和过程返回
数据相关
.1. 数据相关简介
.当指令在流水线中重叠执行时，流水线有可能改变指
令读/写操作数的顺序，使之不同于它们在非流水实现
时的顺序，这将导致数据相关。
.举例
.当两条指令对存储器同一单元进行读写时，也可能发
生数据相关。但本章仅讨论有关寄存器的数据相关。
多操作部件处理机：
一条指令流水线，
多个独立的操作部件，可以采用流水线，也可以不流水。
多操作部件处理机的指令级并行度小于1。
超标量处理机典型结构：
多条指令流水线。
先进的超标量处理机有：定点处理部件CPU，浮点处理部件FPU,图形加速
部件GPU，大量的通用寄存器，两个一级Cache。
D:\课件开发\chap3-fig1\arch68.gif
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
.暂停流水线直到分支目标地址确定
.（2）预测分支失败
.继续执行分支指令之后的指令
.在知道分支结果之前，分支指令后的指令不能改变机器状态
.(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
D:\课件开发\chap3-fig1\arch65.gif
数据相关的分类
操作部件中可以采用流水线结构，也可以不采用流水线结构。
目标是每个时钟周期平均执行一条指令，ILP的期望值为1。
多发射处理机：
每个周期同时取多条指令、同时译码多条指令，同时执行多条指令，同
时写回多个运算结果。
需要多个取指令部件，多个指令译码部件和多个写结果部件。
设置多个指令执行部件，有些指令执行部件采用流水线结构。
.处理分支指令最简单的方法
.一旦检测到分支指令(在ID段)，就暂停执行其后的
指令，直到分支指令到达MEM段，确定出新的PC
值为止。
.减少流水线处理分支指令时的暂停周期数：
.流水线中尽早判断出转移成功或转移失败
.判断往前移
.尽早计算出转移成功的分支目标地址
.多个加法器部件
高级流水线技术
.超标量流水线
.超流水线
.超标量超流水线
单发射与多发射(issue)
单发射处理机：
每个周期只取一条指令、只译码一条指令，只执行一条指令，只写回一
个运算结果。
取指令部件和指令译码部件各设置一套；
只设置一个多功能操作部件或设置多个独立的操作部件；
6
T
0
1
2
3
4
5
6
T
超长指令字流水线
3个操作
0
1
2
3
4
5
6
7
T
超级流水线
三种主流处理机：
超标量处理机：Intel公司的i860、i960、