流水线技术.概要
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。
计算机系统结构第3章流水线技术
流水线调度
根据指令的依赖关系和资源可用性，动态调 度指令到不同的流水线阶段。
GPU设计中的流水线技术
线程级并行
通过划分线程块和线程束，实现线程级并行执行。
数据级并行
将数据划分为多个块，每个块在GPU的多个处理单元上并行处理。
指令级并行
通过指令调度和分支预测，实现指令级并行执行。
硬件资源共享
01
硬件资源共享是指流水线中的多个操作共享相同的硬件资源， 如寄存器、缓冲区等。
02
硬件资源共享能够提高资源利用率，减少硬件开销，降低成本。
需要注意的是，硬件资源。
流水线的性能指标
01
吞吐量
流水线每单位时间内完成的操作数 或任务数。
流水线调度
根据子任务的依赖关系和资源需求，动态调 度子任务到不同的计算节点。
THANKS
感谢观看
将执行结果写回寄 存器或内存。
02
流水线的工作原理
数据流驱动
1
数据流驱动是指流水线中的操作按照数据流动的 方向依次执行，每个操作在完成前需要等待前一 个操作的结果。
2
数据流驱动的优点是能够充分利用数据依赖关系， 减少等待时间，提高流水线的吞吐量。
3
需要注意的是，数据流驱动需要精确控制数据流 动的顺序，以避免出现数据相关和冒险问题。
调试和维护困难
由于流水线中各个阶段是并行处 理的，调试和维护可能会比串行 系统更加困难。
05
流水线技术的应用
CPU设计中的流水线技术
指令划分
将指令划分为多个阶段，每个阶段对应一个 功能单元，从而并行执行多个指令。
数据路径设计
流水线技术-向量处理机
向量处理机概述
向量处理机是一种专门用于处理大规模向量运算的计算机系 统。它通过并行处理多个数据元素，能够高效地完成矩阵运 算、信号处理、图像处理等计算密集型任务。
流水线并行处理
01
02
03
数据并行
将数据划分为多个子集， 每个子集在流水线的一个 阶段进行处理，实现数据 并行处理。
任务并行
将任务划分为多个子任务， 每个子任务在流水线的一 个阶段进行处理，实现任 务并行处理。
指令并行
在同一时间内，流水线可 以执行多个指令，实现指 令并行处理。
流水线冲突解决
数据冲突
并行处理单元
增加并行处理单元，如多核处理器、GPU等，进一步提高计算性能。
05
流水线技术-向量处理机的应用场景
科学计算
数值模拟
向量处理机在科学计算中广泛应用于数 值模拟，如流体动力学、气象预报、地 震数据处理等。
VS
统计分析
向量处理机能够高效处理大规模数据集， 适用于统计分析、数据挖掘等领域。
图像处理
图像增强
向量处理机能够并行处理像素数据，适用于 图像增强技术，如锐化、色彩校正等。
图像分析
在图像识别和目标检测等任务中，向量处理 机能够加速特征提取和比对过程。
机器学习
模型训练
向量处理机能够高效处理大规模数据和矩阵运算，适用于机器学习模型的训练和推理。
并行算法
向量处理机支持并行算法，能够加速机器学习算法的实现和优化。
向量处理机通常采用特殊的硬件架构和指令集，以最大化并 行处理能力。它通过将数据存储在特殊的向量寄存器中，并 执行一组长指令来处理这些数据，从而实现高效的向量计算 。
高性能计算中的流水线技术分析(四)
高性能计算中的流水线技术分析近年来，计算机科学和技术领域发展迅猛，高性能计算成为了许多领域的研究热点。
在高性能计算中，流水线技术被广泛应用于提高计算机的性能和效率。
本文将重点分析高性能计算中的流水线技术，并探讨其优点和应用。
一、流水线技术的基本原理流水线技术是一种通过将任务拆分为多个子任务，并且这些子任务同时进行，以提高计算机的整体性能的方法。
其基本原理是将任务分解为多个子任务，并将这些子任务分别交由不同的硬件单元处理。
每个子任务的处理时间约等于一个硬件操作完成的时间，这样可以使得整个任务的完成时间明显缩短。
二、流水线技术的优点1. 提高计算机的吞吐量：流水线技术将一个任务分解为多个子任务，每个子任务由不同的硬件单元处理，使得不同任务的执行可以重叠，从而提高了计算机的吞吐量。
2. 增加计算机的并行性：流水线技术充分发挥了硬件单元的并行能力，使得不同的计算单元可以同时处理不同的任务，从而提高了计算机的并行性。
3. 提高计算机的资源利用率：流水线技术使得计算机的各个硬件单元可以在同一时刻处理不同的任务，减少了硬件资源的闲置时间，提高了计算机的资源利用率。
4. 减少任务延迟：流水线技术将任务拆解为多个子任务后，每个子任务可以立即开始执行，从而减少了任务的延迟时间。
三、流水线技术在高性能计算中的应用1. 高性能计算机的体系结构中广泛应用了流水线技术。
例如，在超级计算机中，将计算任务分解为多个子任务，并将这些子任务分别交由不同的处理单元处理，以提高计算机的整体性能和计算速度。
2. 流水线技术在图像和视频处理中也得到了广泛应用。
图像和视频处理通常需要对数据进行多次处理，而流水线技术可以将数据处理过程拆解为多个子任务，并采用不同的处理单元分别处理。
这样可以提高图像和视频处理的速度和效率。
3. 在大规模数据处理和分析中，流水线技术可以将数据处理过程拆解为多个子任务，不同的处理单元同时进行数据处理，从而加快数据处理和分析的速度。
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
▲
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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。
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
第3章流水线技术
第2章流水线技术流水线是计算机体系结构设计中普遍应用的技术。
本章介绍流水线的基本概念、表示方法、和分类，讨论流水线实现的基本结构、线性流水线的性能与非线性流水线的调度策略，分析流水线的相关及其处理方法。
2.1 流水线的基本概念2.1.1 多条指令的执行方式一条指令的执行过程可以分为多个阶段，通常分为三个阶段，执行过程如图2-1所示。
第一阶段是取指令，按照程序计数器的内容访问主存储器，取出是一条指令送到指令寄存器。
第二阶段是分析指令，对指令寄存器中的指令进行译码分析，即对指令操作码进行译码，分析指令的功能，依据给定的寻址方式和地址码字段的内容形成操作数地址，并读取操作数（立即数寻址除外）；同时，程序计数器自动产生一个增量，指到下一条指令。
第三阶段是执行指令，根据操作码的要求，对操作数进行运算和处理，完成指令规定的功能，并把运算结果送到指定的地址中。
指令执行过程中的第一阶段，一定要访问主存（指令一定在主存中），而在后两个阶段，也可能要访问主存（当操作数在主存中时）。
当有多条指令要在一个处理机中完成时，可以有多种执行方式。
现假设3个阶段所需要的时间均为△t 。
2.1.1.1 顺序执行方式顺序执行方式是指在任何时刻，处理机中只有一条指令在执行，指令之间是顺序串行执行的，即第k条指令执行完成后，再执行完成第k+1条指令，依次类推。
多条指令执行过程如图2-2（a）所示，执行n条指令所需要的时间为T = 3n△t。
顺序执行方式的优点是控制简单，节省设备。
主要缺点有两个，一是处理机执行指令的速度慢。
只有当上一条指令执行完毕后，下一条指令才能开始执行。
二是功能部件的利用率低。
如取指令时主存是忙碌的，而指令执行部件是空闲的。
2.1.1.2 一次重叠执行方式一次重叠执行方式是指在任何时刻，处理机中至多只有两条指令在同时执行，即使第k 条指令的执行阶段与第k+1条指令的取指令同时进行。
多条指令执行过程如图2-2（b）所示，执行n条指令所需要的时间为T = (2n+1)△t。
第四章 流水线技术
流水时钟数
1
2
3
4
5
6
7
8
9
指令i
IF
ID
EX
MEM
WB
指令i+1
IF
ID
EX
MEM
WB
指令i+2
IF
ID
EX
MEM
WB
指令i+3
IF
ID
EX
MEM
WB
指令i+4
IF
ID
EX
MEM
WB
图4-7 MIPS R2000的整数流水线
其中：IF──取指ID──译码和取寄存器操作数
EX──执行或有效地址计算MEM──存储器访问
流水线只能减少每条指令的平均执行时间，一条指令的实际执行时间要经过所有流水级，其实际执行时间有可能比未流水时还要长。今后如无特殊说明，在流水线机器上说指令的执行时间，都是指指令的平均执行时间。流水线减少指令平均执行时间可以看作是减少了每条指令的时钟数（CPI），也可以看作是减少了时钟周期时间，这主要取决于我们的着眼点：如果某机器每条指令化费的是一个长时钟的周期，那么流水线减少了时钟的周期时间。
IF
ID
EX
MEM
WB
指令i+2
IF
ID
EX
MEM
WB
指令i+3
IF
ID
EX
MEM
WB
指令i+4
IF
ID
EX
MEM
WB
图4-3流水状态图
这里我们假定处理器分5个流水功能部件。如果用流水状态图表描述流水线指令执行过程引起误解或不能说明问题时，我们采用流水功能部件和流水寄存器来代替指令流水状态图表中的执行状态，如图4-10。
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
高性能计算中的流水线技术分析(一)
高性能计算中的流水线技术分析随着科技的发展和数据量的不断增长，高性能计算成为当代信息技术领域的重要组成部分。
在高性能计算中，流水线技术起到了至关重要的作用。
本文将从流水线的定义、原理、优势和应用等方面进行深入分析。
一、流水线的定义和原理流水线技术是一种将一个复杂的任务分为多个子任务，通过多个阶段分别处理的技术。
它的运行原理是将输入的任务划分成若干个阶段，每个阶段处理一个任务，并通过将每个任务传递给下一个阶段，实现任务的并行处理。
流水线技术可以提高系统的整体性能和处理效率。
二、流水线技术的优势1. 提高处理效率：流水线技术能够将复杂任务分解成多个简单任务，在每个阶段都能并行处理多个任务，从而提高整体的处理效率。
2. 实现指令重叠：在流水线中，每个阶段都可以同时处理不同的任务，从而实现指令的重叠执行，提高了系统的吞吐量。
3. 减少资源闲置：由于流水线技术可以同时处理多个任务，并且每个阶段都可以开始下一个任务，所以能够减少资源的闲置时间，提高系统的利用率。
三、流水线技术的应用1. CPU设计中的流水线技术：在计算机的CPU设计中，流水线技术广泛应用。
将计算机指令划分为取指令、译码、执行、写回等阶段，并在每个阶段同时处理指令，提高了CPU的计算性能。
2. 图像处理中的流水线技术：在图像处理领域，流水线技术可以将图像处理任务划分为多个阶段，如图像读取、图像滤波、图像增强等，并通过并行处理，快速完成大规模的图像处理任务。
3. 云计算系统中的流水线技术：在云计算系统中，流水线技术可以将用户请求的处理过程划分为多个阶段，如请求接收、请求解析、资源分配等，并将每个阶段分别处理，提高了系统的响应速度和处理能力。
四、流水线技术的挑战和解决方案1. 数据依赖：在流水线中，不同任务之间可能存在依赖关系，导致任务的执行顺序发生变化，从而影响并行处理效果。
解决方案是通过增加冲突检测和处理的机制，在保证数据一致性的前提下实现最大程度的并行处理。
如何利用流水线技术提高程序执行效率(一)
如何利用流水线技术提高程序执行效率1. 概述流水线技术是一种将任务划分成不同的阶段，并将每个阶段分配给不同的处理单元并行执行的方法。
在计算机领域中，流水线技术被广泛应用于提高程序的执行效率。
本文将探讨如何利用流水线技术提高程序执行效率的方法和技巧。
2. 流水线的基本原理流水线技术的基本原理是将一个复杂的任务划分为多个简单的子任务，并将每个子任务分配给不同的处理单元并行执行。
这样可以有效利用计算资源，提高任务的处理速度。
在计算机程序中，流水线的基本操作包括取指令、译码、执行和写回。
3. 任务划分的重要性在利用流水线技术提高程序执行效率时，任务的划分是至关重要的。
合理的任务划分可以使得各个子任务在流水线中能够高效地执行，并充分利用计算资源。
为了达到最佳的任务划分效果，需要对程序进行详细的分析和测试，了解各个子任务的执行时间和依赖关系，并根据这些信息进行任务划分的决策。
4. 数据冲突的处理在流水线中，由于不同的子任务的执行需要依赖之前的结果，导致可能出现数据冲突的情况。
数据冲突会导致流水线的停顿，降低程序的执行效率。
为了减少数据冲突的发生，可以采取一些措施，例如引入冲突检测机制、增加数据缓冲区、调整任务划分等方法。
通过合理的措施，可以最大程度地减少数据冲突的发生，提高程序执行效率。
5. 分支预测的优化在流水线中，分支指令对程序执行效率的影响非常大。
由于分支指令的执行结果不确定，很可能导致流水线的停顿和重新启动，从而降低程序的执行效率。
为了优化分支指令的执行，可以引入分支预测的技术。
分支预测通过分析程序的分支历史和模式，对分支指令的结果进行预测，从而减少流水线的停顿和重新启动，提高程序的执行效率。
6. 内外存数据传输的优化在一些计算密集型的程序中，频繁的内外存数据传输也是降低程序执行效率的因素之一。
为了优化数据传输，可以采用多级缓存、数据压缩和预取等技术。
多级缓存可以在处理器和内存之间增加一层缓存，将频繁使用的数据存放在缓存中，减少数据的传输时间。
流水线技术
指令调度；
(3) 举例： 例3.6 请为下列表达式生成没有暂停的DLX
指令序列： a＝b＋c ； d＝e－f ；
假设载入延迟为1个时钟周期。
3.3.1 控制相关
（一）分支引起的暂停及减少分支开销的方法
▲ 时空图
▲ 完成 n 个任务所需的时间 T流水＝m△t0＋(n－1)△t0 (说明)
▲ 实际吞吐率
TP ＝ ─T─流n─水＝ ───m─△─t─0＋──(n─n－─１)△t0
＝
─(─1─＋──m1n─－1)─△─t0＝
───── 1 ＋
TPma x m1n－
TP ＜ TPmax
当n >> m 时，TP ≈TPmax
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
(解释)
S＝ ─TT─非流─流水水＝ ───m─△─t─0＋─n─(mn─△－t10 )△t0
＝ ─m─＋m──nn－＝ 可以看1出：当n
────1＋mmn－1 >> m 时，S ≈
m
若流水线各段的时间不等，则：
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，控制逻辑会开通前 面那条指令的结果目前所在的位置（某个流水寄 存器）到当前指令所需的位置（某个功能单元的 输入端）的通路。
不一定是同一个功能单元，例如： Load指令 ALU指令
3. 数据相关的分类
按照指令对寄存器的读写顺序，可以将数据 相关分为以下三种类型：
(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”的数目称为流 水线的“深度”。
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(Pipeline)介绍
2.流水线的冒险
尽管流水线可以带来处理器性能上的提高，但是不 是所有的指令就直接可以进行流水线操作，在指令 执行中的下一个周期中的下一条指令不能执行，这 种情况叫做冒险。有三类冒险：
1.结构冒险 2.数据冒险 3.控制冒险 流水线中的冒险会引起流水线停顿，部分指令就要延期执行。
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2.1 结构冒险
流水线的描述：最常用的方法是时间-空间图
横坐标：表示时间，即各个任务在流水线中所
经过的时间 纵坐标：表示空间，即流水线的各个子过程， 也称为级、流水线深度(Stage)
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流水线时间空间图4来自流水线技术应用到处理器中就是采用流水线 方式执行指令。一个MIPS指令包包含五个处 理步骤： 1.取指令周期（IF） 2.指令译码/读寄存器周期（ID） 3.执行操作/计算地址（EX） 4.从数据存储器中读取操作数（MEM） 5.将结果写回寄存器堆（WB）
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动态调度的思想
基本思想 ：•把相关的解决尽量延迟到马上就会出错的时候 •前面指令的stall不影响后面指令继续前进 把译码分成两个阶段：发射和读操作数 •发射：指令译码，检查结构相关 •读操作数：检查操作数是否准备好，准备好就 读数，否则等待，当一条指令在读操作数阶段 等待时，后面指令的发射可以继续进行 •乱序执行： •指令进入是有序的 •执行可以乱序，只要没有相关就可执行，多条 指令同时执行 •结束可以乱序，也可以有序（主要是精确例外 的需要），乱序结束会导致WAR相关（静态 流水线中只有RAW和WAW相关） 30
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2.5 控制冒险
也叫分支冒险，指因为程序的执行方向可能 被改变而引起的流水线暂停叫做控制冒险。 执行分支指令，程序计数器PC值两种情况：
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。
第三章 流水线技术
第3章流水线技术3.1解释下列术语流水线：将一个重复的时序过程，分解成为若干个子过程，而每一个子过程都可有效地在其专用功能段上与其它子过程同时执行。
单功能流水线：指流水线的各段之间的连接固定不变、只能完成一种固定功能的流水线。
多功能流水线：指各段可以进行不同的连接，以实现不同的功能的流水线。
静态流水线：指在同一时间内，多功能流水线中的各段只能按同一种功能的连接方式工作的流水线。
当流水线要切换到另一种功能时，必须等前面的任务都流出流水线之后，才能改变连接。
动态流水线：指在同一时间内，多功能流水线中的各段可以按照不同的方式连接，同时执行多种功能的流水线。
它允许在某些段正在实现某种运算时，另一些段却在实现另一种运算。
部件级流水线：把处理机中的部件进行分段，再把这些部件分段相互连接而成。
它使得运算操作能够按流水方式进行。
这种流水线也称为运算操作流水线。
处理机级流水线：又称指令流水线。
它是把指令的执行过程按照流水方式进行处理，即把一条指令的执行过程分解为若干个子过程，每个子过程在独立的功能部件中执行。
处理机间流水线：又称为宏流水线。
它是把多个处理机串行连接起来，对同一数据流进行处理，每个处理机完成整个任务中的一部分。
前一个处理机的输出结果存入存储器中，作为后一个处理机的输入。
线性流水线：指各段串行连接、没有反馈回路的流水线。
数据通过流水线中的各段时，每一个段最多只流过一次。
非线性流水线：指各段除了有串行的连接外，还有反馈回路的流水线。
顺序流水线：流水线输出端任务流出的顺序与输入端任务流入的顺序完全相同。
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可以不同，允许后进入流水线的任务先完成。
这种流水线又称为无序流水线、错序流水线、异步流水线。
吞吐率：在单位时间内流水线所完成的任务数量或输出结果的数量。
流水线的加速比：使用顺序处理方式处理一批任务所用的时间与按流水处理方式处理同一批任务所用的时间之比。
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I 类型指令 6 操作码 5 rs1 5 rd 16 立即值
（5）写回周期（WB）
字节、半字、字的载入和储存； rdrs1 op 立即值。
不同指令在该周期完成的工作也不一样。 R 类型指令
6 5 5 ◆ 寄存器―寄存器型 ALU 指令 操作码 rs1 rs2 5 rd 11 Func
Regs[IR16寄存器－寄存器 ALUOutput ..20] ← ALU 操作：rdrs1 func rs2；
Mem[500+Regs[R4]] ←32 Regs[R3]
◆ 分支操作
if（cond）PC ← ALUOutput else PC ← NPC
BEQZ R4 ,name
“等于0”分支
if (Regs[R4]==0) PC ← name; ((PC+4)-215) ≤ name ≤((PC+4)+215)
◆ 没有考虑 PC 问题
流水线为了能够每个时钟周期启动一条 新的指令，就必须在每个时钟周期进行PC值 的加4操作，并保留新的PC值。这种操作必 须在IF段完成，以便为取下一条指令做好准 备。
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
Load 指令 Regs[IR11 ..15] ← LMD
DLX的基本流水线
按时间错开的数据通路序列
流水线技术
指令流水线
把指令的解释过程分解为“分析”和“执行”
两个子过程，并让这两个子过程分别用独立的分 析部件和执行部件来实现。
理想情况：速度提高一倍
流水技术
流水技术是指：将一个重复的时序过程分解 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。
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” 的数目称为流水线的“深度”。 (2) 每个子过程由专用的功能段实现；
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. 一条DLX指令最多需要以下5个时钟周期： （1） 取指令周期（IF） IR ← Mem[PC] NPC ← PC＋4 操作
I 类型指令 6 操作码 5 rs1 5 rd 16 立即值
(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；
(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，流水线的效率才能充分发 挥。
（2）指令译码/读寄存器周期（ID） 字节、半字、字的载入和储存；
A ← Regs[IR6 ..10]
B ← Regs[IR11 ..15] 操作
rdrs1 op 立即值。 R 类型指令 6 操作码 5 rs1 5 rs2 5 rd 11 Func
Imm ← (IR16)16 ## IR16 ..31寄存器－寄存器 ALU 操作：rdrs1 func rs2；
◆ 分支操作
ALUOutput ← NPC＋Imm Cond ← (A op 0)
◆ 存储器访问
LMD ← Mem[ALUOutput] 或
LW R1, 30 (R2)
Mem [ALUOutput] ← B
Regs[R1] ←32 Mem[30+Regs[R2]]
载入整型字
SW
500 (R4), R3 储存整型字
ALUOutput ← A op Imm
寄存器－寄存器 ALU 操作：rdrs1 func rs2； 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。 J 类型指令 6 操作码 26 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
采用流水技术还应解决好以下几个问题：
（1）应保证不会在同一个时钟周期内在同一数据 通路资源上做不同的操作。 例如，不能要求一个ALU同时既做有效 地址计算，又做减法操作。 上述简单DLX流水线中：
◆ 指令存储器（IM）和数据存储器（DM）分
开，避免了访存冲突。 ◆ ID段和WB段都要访问同一寄存器文件。 ID段：读 WB段：写 如何解决对同一寄存器的访问冲突？
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。 J 类型指令 指令译码和读寄存器是并行进行的。之所 6 26 以能做到这一点，是因为在DLX指令格式中， 操作码 与 PC 相加的偏移量
操作码在固定位置。这种技术也称为固定字段 跳转，跳转并链接，从异常（exception）处自陷和返回。 译码。
◆ 寄存器―立即值型 ALU 指令 对特殊寄存器的读 /写和移动。
函数对数据的操作进行编码：加、减、； 类型指令 Regs[IR11J..15 ] ← ALUOutput ◆ Load 指令 6 26 操作码 与 PC 相加的偏移量 Regs[IR11 ..15] ← LMD 跳转，跳转并链接，从异常（exception）处自陷和返回。
R1, R2, R3
ALUOutput ← A op B
Regs[R1] ← Regs[R2] + Regs[R3]
I 类型指令 6 操作码 5 rs1 5 rd 16 立即值
◆ 寄存器―立即值 ALU 操作
字节、半字、字的载入和储存； rdrs1 op 立即值。 R 类型指令 6 操作码 5 rs1 5 rs2 5 rd 11 Func
图 2.13 DLX 的指令格式布局
（3）执行/有效地址计算周期（EX） 在这个周期，不同的指令有不同的操作。
◆ 存储器访问
LW
R1, 30 (R2) Regs[R1] ←32 Mem[30+Regs[R2]]
载入整型字
ALUOutput ← A＋Imm
◆ 寄存器―寄存器 ALU 操作
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