6计算机组成原理第6章流水线原理 优质课件
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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。
• 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。
• CPU中的各个部件按流水处理顺序连接起来，就称为一
条流水线。
6.2.3 流水线工作原理 流水线方式是把一个复杂的过程分解为若干个子过 程，每个子过程与其他子过程同时进行。 处理机解释程序的方式有顺序方式、重叠方式、流 水方式等
第6章 流水线原理及其 §1 重叠方式
通常提高指令执行速度的途径有如下三种： 1. 提高处理机的工作主频。 2. 采用更好的算法和设计更好的功能部件。 3. 多条指令并行执行，称为指令级并行技术。
• 可以从两个方面来开发处理机内部的并行性：
– 空间并行性：即在一个处理机内设置多个独 立的操作部件，并让这些操作部件并行工作， 这种处理机称为多操作部件处理机或超标量 处理机;
2. 对指令执行的几种方式
1）顺序执行 (传统机采用)
只有在前一条指令的各过程段全部完成后，才 从存储器取出下一条指令
取
译
执
取
译
执
i条
i +1 条
2) 仅两条指令重叠：第i条指令的执行与第i+1条的取指
重叠。
i条 取 译 执
i+1 条
取译执
3) 三条指令重叠：第i条指令的执行与第i+1条的译码及
第i+2条的取指重叠。
3) 例子 当k=200，t取=3Δt，t译=4Δt，t执=5Δt， 时，分别计算上述三种执行方式的时间。
顺序执行：200×(3+4+5)=2400Δt
两条重叠：3+200×4+(200-1)×5+5=1803Δt
三条重叠：3+4+(200-2)×百度文库+5+5=1007Δt
4 重叠方式需要解决的问题
• 超长指令字技术VLIW：指让一条指令包含多个独立的操 作字段，并且分别控制多个功能部件并行工作的技术。
一．重叠解释方式
1.一条指令的几个过程段
1）取指令：根据PC（指令计数器）从M（存储器）取 出指令送到IR（指令寄存器）
2）译码分析：译出指令的操作性质，准备好所需数 据
3）执行：将准备好的数按译出性质进行处理，主要 涉及ALU（算术逻辑运算部件）
• 先行控制技术的关键是缓冲技术和预处理技术，以及两 者的结合。
• 缓冲技术是在工作速度不固定的两个功能部件之间设置 缓冲栈，用以平滑它们的工作。
• 预处理技术是把进入运算器的指令都处理成寄存器－寄 存器（RR型）指令，为进入运算器的指令准备好所需要 的全部操作数。
采用先行控制方式的处理机结构
2）应具有先行控制部件 ① 先行：在重叠操作中，当前一条指令在执行过程中 就需要提前取出后面的指令进行相应处理，这种提 前取出后继指令进行相应处理，称为先行。 ② 先行控制部件的主要包括 Ⅰ）先行地址站，包括先行指令地址站和先行操作数 地址站； Ⅱ）先行指令站，用来存放多条指令； Ⅲ）先行操作数站，用来存放多个操作数； Ⅳ）先行地址形成部件，用来形成先行指令地址 以及先行操作数地址； Ⅴ）先行操作码译码站，用来完成对多条指令的 译码并保留译码输出状态。
基本名词术语
• 标量处理机，超标量处理机：标量处理机指只能进行标量 运算的处理机，超标量处理机指能在一个时钟周期内同时 发射多条指令的处理机；
• 指令级并行技术：指能使多条指令并行执行的技术，包括 流水技术、多操作部件技术和超长指令字技术；
• 流水线处理机，超流水线处理机：流水线处理机指用流水 作业方式并行解释多条指令的处理机，超流水线处理机指 能在一个时钟周期内分时发射多条指令的处理机；
假设:各个功能段时间相同,公式见教材P285
各个功能段时间不相同,公式见 顺序执行 k*（t取+t译+t执） 两条重叠 t取+ k* t译+(k-1) *( t取,t执)max+ t执 三条重叠 t取+( t译, t取)max+(k-2) *（t取,t译,t
执）max+( t执, t译)max+ t执
标量计算机指只能直接进行标量运算的计算机，与能 够直接进行向量运算的向量计算机相对应。
流水处理方式的特征，是让多个依次启动的任务，尽 量同时使用系统的不同部件，通过时间重叠来提高处理速 率。这种技术理论上不增加成本。
标量计算机上使用的流水加速技术属于指令级并行技 术。
每条指令的处理过程，可以划分为取指、译码 、取数、运算、送结果5个子过程，也可以分得更 细或更粗一些。划分的原则是各部分时间长度大 致相等、并使用CPU中不同的部件，这样才有利于 多任务重叠处理。
1）对存储器的频繁访问 ① 有哪些访问：取指令、取操作 数、存放执行结果, I/O通道访问. ② 希望存储器为多体结构，以适 应多种访问源的需要。 ③ 当存储器为单体结构时，需要 将访问源排队，先后顺序为： 取指令、取数据、I/O通道访问、存
结果
6.1 先行控制技术
• 先行控制（look-ahead）技术最早在IBM公司研制的 STRETCH机器中采用。目前，许多处理机中都已经采 用了这种技术，包括超流水处理机和超标量处理机等。
i条 取 译 执
i+1 条 取 译 执
i+2 条
取译执
若一条指令的过程段划分更多时，重叠组合方式更多。 重叠解释并不能加快一条指令的实现，但能加快一段
程序的解释。
3. 重叠方式中所需时间表达式及所需时间计算
1）条件：设一条指令分为三个过程段，各过程段分别 用t取、t译、t执表示。
执行K条指令，分别采用顺序执行、两条重叠、 三条重叠。
• 也应具有后行部件 后行部件：对指令执行后的结果进行处理的器件，称 后行部件。包括：
①后行数地址站，提供后行数存放地址。 ②后行数站，存放运行的结果，并且，这些结果需送存
储器。
6.2 流水处理的概念
6.2.1 基本思想
6.2.2 流水技术
• 流水技术：将一个重复的时序过程分解成为若干个子
– 时间并行性：就是采用流水线技术。流水线 技术是一种非常经济、对提高处理机的运算 速度非常有效的技 术。采用流水线技术可以 不增加硬件或只需要增加少量硬件就能够把 处理机的运算速度提高几倍
它是目前使用非常普遍的一种并行处理方式。
本章学习标量计算机上使用的流水加速技术。主要内 容有流水技术的分类、流水线性能指标计算、非线性流水 线的调度算法。
• 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。
• CPU中的各个部件按流水处理顺序连接起来，就称为一
条流水线。
6.2.3 流水线工作原理 流水线方式是把一个复杂的过程分解为若干个子过 程，每个子过程与其他子过程同时进行。 处理机解释程序的方式有顺序方式、重叠方式、流 水方式等
第6章 流水线原理及其 §1 重叠方式
通常提高指令执行速度的途径有如下三种： 1. 提高处理机的工作主频。 2. 采用更好的算法和设计更好的功能部件。 3. 多条指令并行执行，称为指令级并行技术。
• 可以从两个方面来开发处理机内部的并行性：
– 空间并行性：即在一个处理机内设置多个独 立的操作部件，并让这些操作部件并行工作， 这种处理机称为多操作部件处理机或超标量 处理机;
2. 对指令执行的几种方式
1）顺序执行 (传统机采用)
只有在前一条指令的各过程段全部完成后，才 从存储器取出下一条指令
取
译
执
取
译
执
i条
i +1 条
2) 仅两条指令重叠：第i条指令的执行与第i+1条的取指
重叠。
i条 取 译 执
i+1 条
取译执
3) 三条指令重叠：第i条指令的执行与第i+1条的译码及
第i+2条的取指重叠。
3) 例子 当k=200，t取=3Δt，t译=4Δt，t执=5Δt， 时，分别计算上述三种执行方式的时间。
顺序执行：200×(3+4+5)=2400Δt
两条重叠：3+200×4+(200-1)×5+5=1803Δt
三条重叠：3+4+(200-2)×百度文库+5+5=1007Δt
4 重叠方式需要解决的问题
• 超长指令字技术VLIW：指让一条指令包含多个独立的操 作字段，并且分别控制多个功能部件并行工作的技术。
一．重叠解释方式
1.一条指令的几个过程段
1）取指令：根据PC（指令计数器）从M（存储器）取 出指令送到IR（指令寄存器）
2）译码分析：译出指令的操作性质，准备好所需数 据
3）执行：将准备好的数按译出性质进行处理，主要 涉及ALU（算术逻辑运算部件）
• 先行控制技术的关键是缓冲技术和预处理技术，以及两 者的结合。
• 缓冲技术是在工作速度不固定的两个功能部件之间设置 缓冲栈，用以平滑它们的工作。
• 预处理技术是把进入运算器的指令都处理成寄存器－寄 存器（RR型）指令，为进入运算器的指令准备好所需要 的全部操作数。
采用先行控制方式的处理机结构
2）应具有先行控制部件 ① 先行：在重叠操作中，当前一条指令在执行过程中 就需要提前取出后面的指令进行相应处理，这种提 前取出后继指令进行相应处理，称为先行。 ② 先行控制部件的主要包括 Ⅰ）先行地址站，包括先行指令地址站和先行操作数 地址站； Ⅱ）先行指令站，用来存放多条指令； Ⅲ）先行操作数站，用来存放多个操作数； Ⅳ）先行地址形成部件，用来形成先行指令地址 以及先行操作数地址； Ⅴ）先行操作码译码站，用来完成对多条指令的 译码并保留译码输出状态。
基本名词术语
• 标量处理机，超标量处理机：标量处理机指只能进行标量 运算的处理机，超标量处理机指能在一个时钟周期内同时 发射多条指令的处理机；
• 指令级并行技术：指能使多条指令并行执行的技术，包括 流水技术、多操作部件技术和超长指令字技术；
• 流水线处理机，超流水线处理机：流水线处理机指用流水 作业方式并行解释多条指令的处理机，超流水线处理机指 能在一个时钟周期内分时发射多条指令的处理机；
假设:各个功能段时间相同,公式见教材P285
各个功能段时间不相同,公式见 顺序执行 k*（t取+t译+t执） 两条重叠 t取+ k* t译+(k-1) *( t取,t执)max+ t执 三条重叠 t取+( t译, t取)max+(k-2) *（t取,t译,t
执）max+( t执, t译)max+ t执
标量计算机指只能直接进行标量运算的计算机，与能 够直接进行向量运算的向量计算机相对应。
流水处理方式的特征，是让多个依次启动的任务，尽 量同时使用系统的不同部件，通过时间重叠来提高处理速 率。这种技术理论上不增加成本。
标量计算机上使用的流水加速技术属于指令级并行技 术。
每条指令的处理过程，可以划分为取指、译码 、取数、运算、送结果5个子过程，也可以分得更 细或更粗一些。划分的原则是各部分时间长度大 致相等、并使用CPU中不同的部件，这样才有利于 多任务重叠处理。
1）对存储器的频繁访问 ① 有哪些访问：取指令、取操作 数、存放执行结果, I/O通道访问. ② 希望存储器为多体结构，以适 应多种访问源的需要。 ③ 当存储器为单体结构时，需要 将访问源排队，先后顺序为： 取指令、取数据、I/O通道访问、存
结果
6.1 先行控制技术
• 先行控制（look-ahead）技术最早在IBM公司研制的 STRETCH机器中采用。目前，许多处理机中都已经采 用了这种技术，包括超流水处理机和超标量处理机等。
i条 取 译 执
i+1 条 取 译 执
i+2 条
取译执
若一条指令的过程段划分更多时，重叠组合方式更多。 重叠解释并不能加快一条指令的实现，但能加快一段
程序的解释。
3. 重叠方式中所需时间表达式及所需时间计算
1）条件：设一条指令分为三个过程段，各过程段分别 用t取、t译、t执表示。
执行K条指令，分别采用顺序执行、两条重叠、 三条重叠。
• 也应具有后行部件 后行部件：对指令执行后的结果进行处理的器件，称 后行部件。包括：
①后行数地址站，提供后行数存放地址。 ②后行数站，存放运行的结果，并且，这些结果需送存
储器。
6.2 流水处理的概念
6.2.1 基本思想
6.2.2 流水技术
• 流水技术：将一个重复的时序过程分解成为若干个子
– 时间并行性：就是采用流水线技术。流水线 技术是一种非常经济、对提高处理机的运算 速度非常有效的技 术。采用流水线技术可以 不增加硬件或只需要增加少量硬件就能够把 处理机的运算速度提高几倍
它是目前使用非常普遍的一种并行处理方式。
本章学习标量计算机上使用的流水加速技术。主要内 容有流水技术的分类、流水线性能指标计算、非线性流水 线的调度算法。