计算机组成原理 第15讲_流水线
计算机组成原理中的流水线与并行处理
计算机组成原理中的流水线与并行处理计算机组成原理是指计算机的各个组成部分及其相互关系的原理。
其中，流水线与并行处理是计算机组成原理中的两个重要概念。
本文将从流水线和并行处理的定义、特点、应用以及优缺点等方面进行论述。
一、流水线的定义和特点流水线技术是一种将复杂的任务分解为若干个互相依赖的子任务，并通过时序控制将其分别交给不同的处理单元进行执行的技术。
它可以提高计算机的执行效率和吞吐量。
与串行处理相比，流水线处理具有以下特点：1.任务分解：将复杂的任务分解为多个子任务，每个子任务由不同的处理单元负责执行。
2.流水线寄存器：通过在流水线各个阶段之间插入流水线寄存器，实现了各个阶段之间的数据传递和暂存，确保了数据的正确性和稳定性。
3.并行操作：不同的处理单元可以并行执行不同的任务，提高了计算机的并行处理能力。
4.随机任务执行：由于流水线中的各个阶段是独立的，因此可以随机运行和停止任务，提高了计算机的灵活性。
二、并行处理的定义和特点并行处理是指同时利用多个处理器或者多个处理单元并行执行多个任务的处理方式。
它可以大幅提升计算机系统的运算速度和处理能力。
并行处理的特点如下：1.任务分配：将大任务分解为多个小任务，并分配给多个处理单元同时执行。
2.任务协调：通过合理的任务调度算法，协调各个处理单元之间的任务执行顺序和数据传递，确保整个系统的稳定性和正确性。
3.资源共享：各个处理单元之间可以共享资源，如内存、缓存等，提高资源利用率。
4.计算效率提高：通过多个处理单元同时执行任务，大幅提高了计算效率和处理速度。
三、流水线与并行处理的应用流水线和并行处理在计算机领域被广泛应用，以下是几个常见的应用示例：1.超级计算机：超级计算机通常采用并行处理的方式，利用多个处理器同时进行计算，以提高计算能力。
2.图形处理器：图形处理器（GPU）采用流水线技术，将图像处理任务分解为多个子任务，通过流水线处理实现高效的图形渲染和计算。
计算机组成原理之流水线处理机(ppt 59页)
计算机组成原理
7
7
流水线的基本概念
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。
计算机组成原理
8
8
计算机的各个部分几乎都可以采用流水线技术:
计算机组成原理
2
2
将解决的主要问题
掌握流水线处理机的数据路径 建立指令流水线中指令如何重叠执行和流动
了解流水线工作原理以及相关问题
计算机组成原理
3
3
单周期处理机
指令 存储器 PC Add
D ata
W ritePC
disp
rs1 rd
1
rs2
0
S e lS t im m e
SelB ranch
偏移量符 号扩展
rd(rs1) and imme
rd (rs1) or (rs2)
计算机组成原理
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25
31 26 25 21
00 0000
rd
00 0001
rd
00 0010
rd
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rd
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rd
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计算机组成原理
指令系统和指令格式
20 16 rs1
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00101 rs1
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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。
计算机组成原理流水线设计基础知识全面解析
计算机组成原理流水线设计基础知识全面解析计算机组成原理是计算机科学与技术的基础课程之一，而流水线设计则是其中的重要内容之一。
本文将全面解析计算机组成原理流水线设计的基础知识，介绍其工作原理、优势、流水线冲突及解决方法等内容。
一、工作原理计算机组成原理中，流水线设计是通过将指令的执行过程划分为多个阶段，并将这些阶段在不同的处理单元上并行执行的方式，从而提高指令的执行效率。
流水线设计主要包含以下几个阶段：1. 取指令阶段（IF）：从内存中读取指令并将其送至指令译码器。
2. 指令译码阶段（ID）：对指令进行解码，判断其类型，并提取相关寄存器的值。
3. 执行阶段（EX）：根据指令的类型，对操作数进行计算，并将结果保存至寄存器中。
4. 访存阶段（MEM）：如果指令需要访问内存，则进行内存读取或写入操作。
5. 写回阶段（WB）：将计算结果写回到寄存器中。
通过将指令的执行划分为多个阶段，并使用多个处理单元并行执行，流水线设计可以大大提高指令的执行效率，加快程序的运行速度。
二、优势流水线设计具有以下几个优势：1. 并行处理：通过将指令的执行划分为多个阶段，并使用多个处理单元并行执行，可以加快指令的执行速度。
2. 提高资源利用率：由于每个处理单元都可以执行不同的指令阶段，因此可以充分利用硬件资源，提高整体的资源利用率。
3. 灵活性：不同的指令可以使用不同的处理单元进行执行，在保持高效率的同时，增加了系统的灵活性，可以执行更多的指令类型。
然而，除了以上的优势外，流水线设计也存在一些问题，即流水线冲突。
三、流水线冲突及解决方法1. 结构冲突：当多个指令需要使用同一硬件资源时，会发生结构冲突。
例如，同时对存储器进行读取和写入操作。
解决方法：通过增加硬件资源的数量或调整指令的执行顺序，可以避免结构冲突的发生。
2. 数据冲突：当后续指令需要使用前一条指令的运算结果时，会发生数据冲突。
例如，一条指令的结果被另一条指令使用。
解决方法：可以通过插入空闲周期或使用旁路机制，将结果传递给后续指令，从而解决数据冲突。
计算机组成原理中央处理器与流水线技术
计算机组成原理中央处理器与流水线技术计算机组成原理是计算机科学中的基础课程之一，它主要研究计算机系统的硬件组成和工作原理。
而中央处理器（Central Processing Unit，简称CPU）作为计算机的核心部件之一，承担着指令的译码、执行和数据处理等关键任务。
为了提高CPU的运行效率和性能，流水线技术被引入其中。
本文将对计算机组成原理中央处理器以及流水线技术进行探讨。
一、中央处理器的基本结构和功能中央处理器作为计算机系统的核心，它主要由控制器和运算器两部分组成。
其中，控制器负责对指令的解码和控制，而运算器则负责执行这些指令并进行数据的处理。
控制器是中央处理器的指挥中枢，它接收来自主存储器的指令，并对其进行解码和分析。
解码后的指令将被传送到运算器，根据指令的要求，运算器会执行相应的运算操作，并将结果返回到主存储器或其他设备。
运算器主要由算数逻辑单元（ALU）和寄存器组成。
ALU负责执行各种算术运算和逻辑运算，寄存器则用于存储指令和数据。
在运算过程中，ALU可以根据指令的要求，通过寄存器之间的数据传输和运算来完成各种运算操作。
二、中央处理器与流水线技术的关系为了提高CPU的执行效率和性能，流水线技术被引入其中。
流水线技术是基于指令级并行的思想，将指令的执行过程划分为多个子任务，并通过流水线的方式并行执行这些子任务，从而提高CPU的吞吐量。
1. 流水线技术的原理流水线技术将整个指令的执行过程划分为多个阶段，每个阶段完成一个特定的操作。
这些阶段依次连接在一起，形成一个流水线。
当一个指令进入流水线后，它会按照顺序经过各个阶段的处理，直至完成。
而在同一时刻，不同指令的不同阶段可以并行执行，从而提高了整个流水线的效率。
2. 流水线技术的优势流水线技术的引入使得CPU能够同时处理多条指令，提高了整体的执行效率。
同时，流水线技术还具有以下几个优点：（1）资源复用：不同阶段的操作可以使用相同的硬件资源，提高硬件资源的利用率。
计算机组成原理与系统结构流水线技术
(1) 实现。 (2) 注意问题。
2) 精确断点
4. 乱序执行
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6.3.6 带成功开销的流水线性能
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6.4 指令级并行
6.4.1 指令级并行概述
1. 指令流水线的限制 2. 突破限制的途径
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6.4.2 提高指令级并行的方法
1. 指令调度
1) 静态调度 2) 动态调度
(1) 能调度在编译时不可能知道的竞争情况。 (2) 符合程序执行的实际情况。 (3) 具有更高的效率和准确性。 (4) 简化编译程序设计。 (5) 代码的移植性强。
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6.2.1 吞吐率
1. 最大吞吐率TPmax
1) 各段时间相等的流水线
2) 各段时间不相等的流水线
(1) 将瓶颈细分。
(2) 利用重复设置。
2. 实际吞吐率TP
1) 各段时间相等的流水线
2) 各段时间不相等的流水线
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6.2.2 加速比
1. 各段时间相等 的流水线
2. 各段时间不相 等的流水线
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第6章 流水线技术
在有关CPU的设计中，速度是永恒的主题。 而引入流水线技术的目的就在于提高速度。 在不需要额外增加太多硬件的情况下，流 水线是提高处理器工作速度的一种有效的 方法，它不仅用于复杂的运算器，如乘法 器、浮点加法器等，也用于改善指令的处 理。
本章将描述流水线技术的有关概念，对流 水线性能进行分析，并讨论与流水线有关 的问题。
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6.4.2 提高指令级并行的方法
2. 乱序执行和寄存器重命名
1) 顺序执行
2) 乱序执行
(1) 记分牌法。
❖① 发射级。
❖② 读操作数。
❖③ 执行。
计算机体系结构之流水线技术(ppt 125页)
张伟 计算机学院
大纲
1 概念定义 2 流水线分类 3 MIPS五级流水线 4 性能分析 5 流水线相关 6 高级流水线技术
1 概念定义
洗衣店的例子
A, B, C, D 均有一些衣物要 清洗，甩干，折叠
清洗要花30 分钟 甩干要用40 分钟 叠衣物也需要20 分钟
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。
3 MIPS五级流水线
DLX(Dancing Links)
DLX 是一种简单的指令集（教学、简单芯片） 在不流水的情况下，如何实现DLX。
实现DLX指令的一种简单数据通路
4. 存储器访问周期MEM（Memory Access） 5. 写回周期WB（Write Back）
MIPS的简单实现
Instruction Fetch
Instr. Decode Reg. Fetch
Next PC
Next SEQ PC
4
RS1
RS2
Execute Addr. Calc
Zero?
RD
增加了向后传递IR和从MEM/WB.IR回送到通用寄存 器组的连接。
将对PC的修改移到了IF段，以便PC能及时地加 4，为取下一条指令做好准备。
2. 每一个流水段进行的操 作
IR[rs]＝IR6..10 IR[rt]＝IR11..15 IR[rd]＝IR16..20
流水线的每个流水段的操作
将有效地址计算周期和执行周期合并为一个时钟周期，这
是因为MIPS指令集采用load／store结构，没有任何指令
需要同时进行数据有效地址的计算、转移目标地址的计算
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
▲
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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。
计算机组成原理与指令流水线性能优化概述
计算机组成原理与指令流水线性能优化概述计算机组成原理是计算机科学中的重要课程，它研究计算机硬件系统的组成和工作原理，包括中央处理器（CPU）、存储器、输入输出设备等。
而指令流水线是计算机中的一种重要的优化技术，通过对指令执行过程进行流水线化，以提高处理器的执行效率。
本文将从计算机组成原理和指令流水线的基本概念入手，探讨如何进行性能优化。
一、计算机组成原理概述计算机组成原理是研究计算机硬件系统如何组成，以及各个部件如何协同工作的学科。
计算机硬件系统主要包括中央处理器（CPU）、存储器、输入输出设备等。
其中，CPU是计算机的核心部件，主要负责执行程序指令，其性能直接影响到计算机的运行速度。
计算机组成原理的研究围绕着提高计算机的性能，降低成本，提高可靠性等目标展开。
其主要内容包括指令系统设计、CPU结构设计、存储器层次结构设计、输入输出系统设计等。
通过对这些部件的优化，可以提高计算机的性能。
二、指令流水线的基本概念指令流水线是一种将指令执行过程划分为多个阶段，并通过并行执行提高处理器效率的技术。
在传统的单周期执行方式中，每条指令的执行需要占用一个时钟周期。
而指令流水线将每条指令的执行划分为多个阶段，不同指令在不同阶段同时执行，从而提高了处理器的吞吐量。
指令流水线的基本阶段包括取指令（IF）、指令译码（ID）、执行（EX）、访存（MEM）和写回（WB）等。
每个阶段只需占用一个时钟周期，而不同指令在不同阶段之间交错执行，从而实现多条指令的并行执行。
指令流水线的工作原理类似于流水线上的工厂，每个工人负责完成流水线上的一个工序，从而实现生产效率的提高。
三、指令流水线性能优化的方法1. 增加流水线级数：流水线级数是指流水线中的阶段数，增加流水线级数可以进一步提高处理器的性能。
较长的流水线可以使得吞吐量更大，但也会增加流水线的延迟。
因此，在提高流水线级数时需要平衡吞吐量和延迟，选择适当的流水线级数。
2. 解决数据冒险问题：数据冒险是指在指令流水线中，后一条指令需要用到前一条指令的结果，但前一条指令的结果还未计算出来，导致流水线停顿的情况。
计算机组成原理中的流水线与并行计算
计算机组成原理中的流水线与并行计算计算机组成原理是计算机科学中的重要课程，涉及到计算机硬件的各个层面和组成部分。
在计算机组成原理中，流水线和并行计算是两个重要的概念，它们在提高计算机性能和效率方面发挥着重要作用。
一、流水线的概念与原理流水线是一种将任务分解为多个阶段并分别处理的技术。
在计算机中，流水线将指令执行过程分为多个步骤，并在不同的处理器上同时执行这些步骤，以提高整体的执行速度。
流水线的原理可以简单地用装配线的概念来解释。
就像工厂的装配线一样，每个工人负责在流水线上的一个工作站上完成一个特定的任务，然后将产品传递给下一个工人进行下一步处理。
这样，整个生产过程可以并行进行，从而提高了效率。
在计算机中，流水线处理的阶段通常包括取指（Instruction Fetch）、译码（Instruction Decode）、执行（Execute）、访存（Memory Access）和写回（Write Back）等。
每个阶段负责完成特定的任务，然后将结果传递给下一个阶段。
这样，计算机可以同时处理多个指令，提高了整体的运行速度。
二、并行计算的概念与应用并行计算是指在计算过程中同时进行多个操作或任务的技术。
与流水线不同的是，并行计算更强调多个任务的同时执行。
在计算机组成原理中，并行计算被广泛应用于多核处理器和分布式系统中。
例如，现代的计算机中常常使用多核处理器，每个核心可以同时执行不同的任务，从而提高计算机的整体性能。
另外，分布式系统中的多台计算机可以同时工作，通过任务的分配和协调来完成复杂的计算任务。
并行计算的应用包括科学计算、数据处理、图像处理等领域。
在科学计算中，大规模的模拟和计算问题可以通过将任务分配给多个处理器来加速计算过程。
在数据处理和图像处理中，可以同时处理多个数据项或图像，从而提高处理的效率和速度。
三、流水线与并行计算的关系流水线和并行计算是紧密相关的概念，它们都旨在提高计算机的性能和效率。
流水线的实现可以看作是一种简单形式的并行计算，其中不同的阶段可以同时执行。
计算机组成原理流水线与超标量技术的性能优化
计算机组成原理流水线与超标量技术的性能优化近年来，随着计算机应用的日益广泛和复杂化，对计算机性能的要求也越来越高。
为了提高计算机的运算速度和效率，人们不断探索和研究各种性能优化技术。
其中，流水线和超标量技术是两种常见且有效的优化方法。
一、流水线技术流水线技术是一种基于指令级并行的优化方法，它将计算机指令划分为不同的阶段，每个阶段分配一个专门的硬件模块来执行相应的操作。
通过将多条指令同时并行执行，流水线技术能够显著提高计算机的执行效率。
在流水线技术中，我们通常将指令的执行过程分为取指令、译码、执行、访存和写回五个阶段。
每个阶段由不同的硬件模块负责完成，并且能够同时处理多条指令。
这样一来，计算机就可以在同一个时间周期内执行多条指令，提高了整体的运算速度。
然而，流水线技术也存在一些问题。
首先，流水线的效率受制于指令之间的依赖关系。
如果一条指令的执行需要依赖前面指令的结果，那么流水线就会发生阻塞，降低了执行效率。
此外，流水线还会引入一定的硬件代价，包括冲突检测和调度机制的设计等。
为了更好地优化流水线技术的性能，人们提出了一系列的解决方案。
例如，通过添加冗余的硬件单元来处理指令间的依赖关系，即预测执行和乱序执行技术。
此外，还可以通过设置更多的流水线段数，增加流水线的深度，从而提高整体的执行效率。
二、超标量技术相比于流水线技术，超标量技术更加复杂和灵活，可以同时启动并行执行多条指令，进一步提高计算机的性能。
超标量技术可以通过增加硬件资源和优化指令调度的方式来实现。
在超标量技术中，我们将计算机指令分为多个指令流，并且每个指令流都可独立执行。
这样一来，计算机就能够同时执行多条指令，提高整体的运算速度。
超标量技术的核心在于指令调度，通过智能地选择和排序指令，使得多条指令可以并行执行。
与流水线技术相比，超标量技术能够更好地处理指令之间的依赖关系。
当一条指令的执行需要依赖其他指令的结果时，超标量技术可以灵活地选择其他可执行的指令来填充空闲的硬件执行单元。
计算机组成与体系结构——流水线相关知识点（常考计算）
计算机组成与体系结构——流⽔线相关知识点（常考计算） 流⽔线是软考中经常考的⼀部分内容，并且常以要求计算的形式出现，所以，这⾥详细总结⼀下流⽔线的相关知识点。
流⽔线的概念 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。
即可以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。
我们都知道，在执⾏⼀条指令的过程中，最少要经历取指分析执⾏三个步骤，也就是说，假设有三个指令1 、2、 3，当我们在正常情况下，在执⾏指令1的时候，会⾸先对指令1按照以上三个步骤进⾏处理，处理完毕后在对指令2进⾏处理，以此类推。
⽽流⽔线的应⽤，就是像我们在⼯⼚中⼀样，当对指令1进⾏分析⼯作时，同时对指令2进⾏取指，继续执⾏，当指令1到达执⾏阶段时，指令2进⼊分析阶段1同时对于指令3进⾏取指处理，这样就⼤⼤增加了对于时间的利⽤率。
流⽔线的计算 1、流⽔线的执⾏时长 ①关于流⽔线的周期，我们需要知道的是，流⽔线周期（△t）为指令执⾏阶段中执⾏时间最长的⼀段。
②流⽔线的计算公式为： 完成⼀条指令所需的时间+（指令条数-1）*流⽔线周期，在这个公式中，⼜存在理论公式和实践公式。
理论公式： 实践公式：（k+n-1）*△t k为⼀条指令所包含的部分的多少 例题：若指令流⽔线⼀条指令分为取指、分析、执⾏三个阶段，并且这三个阶段的时间分别为取指1ns，分析2ns，执⾏1ns，则流⽔线的周期为多少？100条指令全部执⾏完毕需要执⾏的时间是多少？ 分析：上⾯已经说过，流⽔线的周期为花费时间最长的阶段所花费的时间，所以流⽔线的周期就是2ns。
根据理论公式，T=（1+2+1）+（100-1）*2=4+99*2=202ns 根据实践公式，T=（3+100-1）*2=204ns 在这⾥，需要注意的是，因为流⽔线的理论公式和实践公式的结果不⼀样，但是在考试过程中可能都会考到，所以，在应⽤时，先考虑理论公式，后考虑实践公式。
计算机组成原理中的流水线技术研究
计算机组成原理中的流水线技术研究一、引言计算机组成原理是计算机科学中的核心课程之一，掌握计算机组成原理对于了解计算机的内部结构和原理具有至关重要的作用。
其中，流水线技术是计算机组成原理中的一个重要部分，它是计算机工程师所必须熟练掌握的技术之一。
本文将讨论流水线技术在计算机组成原理中的应用和研究进展。
二、流水线技术概述流水线技术是一种把复杂的任务分解成若干个简单的任务，然后将这些任务组合在一起完成整个任务的技术。
在计算机组成原理中，流水线技术是指把指令的执行分为若干个阶段，在每个阶段中都有专门的电路来完成相应的任务。
这样，指令的执行就可以同时进行，从而提高计算机的性能。
三、流水线技术的应用流水线技术广泛应用于计算机硬件设计中，特别是在中央处理器(CPU)的设计中。
流水线技术可以加速指令的执行，提高CPU的工作效率。
流水线技术在CPU内部由若干个阶段组成，每个阶段会完成不同的指令操作。
通过流水线技术，CPU可以同时执行多个指令，缩短了指令的执行时间，提高了工作效率。
此外，流水线技术还可以改善CPU的功耗和热量散发，降低功耗和温度。
四、流水线技术的优缺点和研究进展在实际应用中，流水线技术也存在着优缺点。
优点是可以提高CPU的性能，缩短指令执行的时间，从而提升计算机的整体速度。
缺点则是可能会引入一定的延迟，因为指令需要在多个阶段中执行。
同时，流水线技术还可能会出现数据相关问题，由于指令的执行被划分成若干个阶段，在执行过程中，可能会导致数据的依赖性问题，即在后面的指令中需要用到前面指令的计算结果。
这些问题都需要进行仔细的分析和解决。
为了解决这些问题，在流水线技术的研究中，人们提出了许多优化方法。
例如，延迟槽技术能够减少由于流水线中执行指令的顺序不同所引发的违反指令依赖的可能性。
另外，超标量技术可以在同一时钟周期内同时执行多条指令，提高了CPU的并行性和执行效率。
此外，随着技术的发展和进步，新的流水线优化技术也不断涌现，如多线程技术、预测执行技术等。
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。
计算机组成原理 第15讲_流水线
m e0 n m t0 m m m T 若各段时间不等，则各段的效率也不等，整个流水线的效率
整个流水线的效率
i
e E
E
n t i
i 1
取指k 分析k 执行k 取指k+1 分析k+1 执行k+1 取指k+2 ……
顺序方式的优点是控制简单。 缺点是速度上不去，机器各部件的利用率不高。
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2．重叠方式 Overlap 在解释第k条指令的操作完成之前，就可开始解释第k+1条指令。 例如，把解释一条机器指令分为：取指，执行，两个子过程。 取指k 执行k
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§6.5 流水线工作原理
计算机的速度可以用每秒执行的指令条数来表示。 指令的解释 怎样加快一条指令的解释过程？ 为了加快单条指令的解释过程可采用的方法有：
•选用更高速的器件
•减少解释过程所需拍数 •使解释过程的各个动作并行执行 指令的解释可以有三种控制方式：顺序，重叠，流水。
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1．顺序方式 各条机器指令间顺序串行执行。一条指令执行完之后，才取 下条指令来执行。指令内的各条微指令也是顺序串行执行的。 例如，把解释一条机器指令分为：取指，分析，执行，3个 子过程。
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时空图 Space-Time-Diagram 各功能段时间不等
空间 执行 (功能段)
1
2
3
4 4
取数
分析 取指
11 Βιβλιοθήκη 2 22 333 4
4
气泡 Bubble
时间
t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t9 t10 t11 t12 t13 t14
计算机组成原理之流水线处理机
计算机组成原理之流水线处理机简介流水线处理机是计算机组成原理中的重要概念之一。
它通过将指令的执行过程分为多个阶段，并使得不同的指令在不同的阶段同时执行，从而实现指令的并行处理，提高计算机的执行效率。
本文将介绍流水线处理机的工作原理、设计原则以及在计算机体系结构中的应用。
工作原理流水线处理机的工作原理可以简单描述为将指令执行流程划分为多个连续的阶段，并在每个时钟周期内同时执行不同的指令。
典型的流水线处理机包括取指、译码、执行、访存和写回等阶段。
每个阶段都有专门的硬件模块负责处理相应的任务，而不同的指令则在不同的阶段同时执行，从而提高计算机的执行效率。
具体而言，流水线处理机的工作过程大致可以分为以下几个阶段：1.取指（IF）：从内存中读取指令，并将其存储到指令寄存器中。
2.译码（ID）：对指令进行解码，确定指令的类型和操作数，并从寄存器堆中读取相应的数据。
3.执行（EX）：根据指令的类型和操作数，执行相应的计算、逻辑或存储操作。
4.访存（MEM）：根据指令的要求，进行内存的读取或写入操作，或者与外部设备进行通信。
5.写回（WB）：将计算的结果写入寄存器堆中。
这些阶段可以同时进行，使得不同指令在不同阶段之间的流动保持连续，从而达到高效的并行执行。
设计原则在设计流水线处理机时，需要考虑一些重要的原则。
这些原则包括：1.流水线阶段划分：合理的划分流水线阶段是流水线处理机设计的关键。
通常情况下，流水线的阶段应当尽可能细致，以便在每个阶段内能够并行执行更多的操作。
2.流水线寄存器：为了保证流水线的数据同步和流畅的运行，需要在每个阶段之间插入流水线寄存器。
这些寄存器用于存储不同阶段之间的数据，并提供了一个缓冲区域来保证数据的正确流动。
3.数据冲突处理：数据依赖和冲突是流水线处理机设计中常见的问题。
为了避免数据冲突对计算结果的影响，可以采用数据前推和数据旁路等技术来解决。
4.控制冲突处理：由于指令之间的控制依赖关系，可能会导致指令执行的顺序发生改变，从而影响流水线的效率。
计算机组成原理——指令流水线
计算机组成原理——指令流⽔线
计算机组成原理——指令流⽔线
1. 综述
为提⾼CPU利⽤率，加快执⾏速度，将指令分为若⼲个阶段，可并⾏执⾏不同指令的不同阶段，从⽽多个指令可以同时执⾏。
在有效地控制了流⽔线阻塞的情况下，流⽔线可⼤⼤提⾼指令执⾏速度。
经典的五级流⽔线：取址、译码/读寄存器、执⾏/计算有效地址、访问内存（读或写）、结果写回寄存器。
流⽔线阻塞的情况有三种（）：
1. 结构相关：指令重叠执⾏的过程中，硬件资源满⾜不了指令重叠执⾏的要求，发⽣资源冲突，这时将产⽣结构相关。
解决的办法是增加硬件资源，如解决访存冲突就采⽤指令Cache和数据Cache分离的哈弗结构。
2. 数据相关：当⼀条指令需要前⾯某条指令的执⾏结果，⽽两者正在并⾏执⾏的情况下，将产⽣数据相关。
解决⽅式：数据重定向，或称为旁路技术。
3. 控制相关：有跳转语句、分⽀指令，或其他改变IP值的指令，将产⽣控制相关。
解决⽅法：分⽀预测技术，投机执⾏，延迟分⽀。
若I1和I2数据相关，如I2需要I1的结果，则I2在其译码阶段被阻塞，直到I1全部完成才恢复流动。
计算机组成原理与指令流水线探究
计算机组成原理与指令流水线探究计算机组成原理是指计算机硬件和软件之间相互协调、相互配合的总体规律。
而指令流水线是计算机组成原理中一个重要的概念，它可以提高计算机的运行效率，加快指令执行速度。
本文将深入探究计算机组成原理与指令流水线的关系，并对其进行详细阐述。
【引言】计算机组成原理是计算机科学中的重要学科之一，通过研究计算机的基本组成部分和运行原理，可以理解计算机的工作原理和运行机制，从而更好地进行计算机系统设计与优化。
而指令流水线则是计算机组成原理中的一种设计思想，通过将指令执行过程划分为多个步骤，并流水化地执行，以提高指令执行效率。
下面将对计算机组成原理与指令流水线进行深入探究。
【计算机组成原理】1. 中央处理器（CPU）：中央处理器是计算机的核心部件，负责控制和执行计算机的指令。
CPU主要由控制单元、算术逻辑单元和寄存器组成，其中控制单元负责指令的解码和执行，算术逻辑单元负责进行各种算术和逻辑运算。
2. 存储器：存储器用于存储数据和程序，包括内存和外存。
内存是计算机中的主要存储设备，用于存储当前运行的程序和数据，而外存则用于长期存储数据和程序。
3. 输入输出设备：输入输出设备用于与计算机进行数据和信息的交互，包括键盘、鼠标、显示器、打印机等。
输入设备将外部的数据输入到计算机，输出设备将计算机处理后的数据输出给用户。
【指令流水线】指令流水线是一种将指令执行过程划分为多个步骤，并在不同的时钟周期内同时执行不同指令的技术。
通过流水线的方式，计算机可以同时执行多条指令，提高指令的执行效率。
指令流水线主要包括以下几个阶段：1. 取指令（IF）：根据程序计数器提供的地址，从内存中取出指令，并将程序计数器加一。
2. 译码（ID）：对取出的指令进行解码，确定指令的操作类型和操作数。
3. 执行（EX）：根据指令的操作类型和操作数，执行相应的算术和逻辑运算。
4. 访存（MEM）：将执行阶段得到的结果存储到内存中，或从内存中取出操作数。
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将一个重复的时序过程分解成为多个子过程Subprocess。每个 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。
例如，分成4个功能段Segment： 入口 取 指 令 指令 译码 取操 作数 执行
出口
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时空图 Space-Time-Diagram 各功能段时间相等
空间
执行
(功能段)
通过时间
Instruction level parallelism In the best case scenario, this pipeline can sustain a completion rate of one instruction per cycle.
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流水技术的特点 ① 流水线可分成若干个互有联系的子过程，分别由专用功 能段实现。 ② 实现子过程的功能段所需时间尽可能相等，避免因不等 而产生处理的瓶颈，形成流水线的断流。
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§6.5 流水线工作原理
计算机的速度可以用每秒执行的指令条数来表示。 指令的解释 怎样加快一条指令的解释过程？ 为了加快单条指令的解释过程可采用的方法有：
•选用更高速的器件
•减少解释过程所需拍数 •使解释过程的各个动作并行执行 指令的解释可以有三种控制方式：顺序，重叠，流水。
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1．顺序方式 各条机器指令间顺序串行执行。一条指令执行完之后，才取 下条指令来执行。指令内的各条微指令也是顺序串行执行的。 例如，把解释一条机器指令分为：取指，分析，执行，3个 子过程。
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解决访存冲突的方法： 取指k 分析k 执行k
取指k+1
分析k+1 取指k+2 k+1
执行k+1 分析k+2
执行k+2
① 采用“哈佛结构”。指令和操作数分别存放在2个独立编址且 可同时访问的存储器内。 ② 采用多体交叉存储器。使第k条指令的操作数与第k+1条指令 不在同一个存储体内。 ③ 设置指令缓冲寄存器组。把若干条指令预先从主存取到指缓。 取指令部件从指缓取指令，执行部件从主存取操作数，互相不干 扰。只要指缓不满，就自动从主存预取指令。
回 写 结 果 部 件
修 改 指 令 指 针 部 件
在指令流水过程中要不断访存，所需时间不确定，难以 用统一的时钟控制各段工作。
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流水线结构 ② 运算操作流水线 Arithmetic Pipelining 按照指令的要求，选择合适的算法，把运算过程分成多个子 过程。使各个子过程的时间尽量相等。 对 阶 功 能 部 件 尾 数 加 部 件 规 格 化 部 件
Model of a subscalar CPU.
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Model of a subscalar CPU.
This process gives rise to an inherent inefficiency in subscalar CPUs. Since only one instruction is executed at a time, the entire CPU must wait for that instruction to complete before proceeding to the next instruction.
设各段时间相等，每段效率ei相等， e0 = e1 = ……= em ： e0 = n·Δt0/T = n/（m+（n-1））
m e0 n m t0 m m m T 若各段时间不等，则各段的效率也不等，整个流水线的效率
整个流水线的效率
i
e E
E
n t i
i 1
取指k 取指k 执行k 执行k 取指k+1 执行k+1 取指k+2 执行k+2 取指k+1 执行k+1 取指k+2 执行k+2 取指k+3 执行k+3
理想情况
取指k+3 执行k+3
不同指令在各个阶段 所需时间不同 取指k 执行k
实际情况？
取指k+1
执行k+1
取指k+2 一次重叠
8
执行k+2
3．流水方式 Pipelining One of the simplest methods used to accomplish increased parallelism is to begin the first steps of instruction fetching and decoding before the prior instruction finishes executing. This is the simplest form of a technique known as instruction pipelining, and is utilized in almost all modern general-purpose CPUs.
计算机组成原理
Principles of Computer Organization
广义双语教学课程
青岛理工大学 校级精品课程
http://211.64.192.109/skyclass25/ /ec/C84/
计算机组成原理设计性作业
第8周周末完成
课题3 组合逻辑控制单元设计
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② 加速比 Speedup Ratio m段流水线的速度与等效的非流水线的速度之比。 •若各段时间相等 完成n个任务的时间： T流水= m·Δt0 + (n-1)·Δt0 T非流水= n·m·Δt0 加速比：
n m t0 T非流水 nm SP m t0 (n 1) t0 T流水 m n 1
This design, wherein the CPU's execution resources can operate on only one instruction at a time, can only possibly reach scalar performance (one instruction per clock). However, the performance is nearly always subscalar (less than one instruction per cycle).
锁 存 器
锁 存 器
锁 存 器
各段与一个统一的时钟同步。
在各段间增加锁存器。
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流水线要解决的技术问题 要实现重叠和流水，还要解决：访存冲突，相关，等问题。 1．访存冲突 Resource Conflicts 在同一时间段，“分析k”在形成操作数有效地址后要访存取 操作数，而“取指k+1”也需访存取指令。 取指k 分析k 取指k+1 执行k 分析k+1 取指k+2 k+1 执行k+1 分析k+2 执行k+2
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流水线的主要技术指标有：吞吐率，加速比，效率，等。 ① 吞吐率 Throughput Rate 单位时间内流水线所能处理的任务数（或指令数），或流 水线能输出的结果的数量。 最大吞吐率： 当流水线在连续流动达到稳定状态后的吞吐率。
如果各功能段时间都相等，Δti=Δt0
TPmax=1/Δt0
如果各功能段时间不相等，TPmax=1/max（Δti） 取决于最慢的段。
③ 形成流水处理需要一段准备时间，称为“通过时间”。 此后，流水过程才能稳定。
④ 指令流发生不是顺序执行时，会使流水过程中断。再形 成流水过程需“通过时间”。要提高效率，不应常断流。 ⑤ 流水线技术适用于大量重复的程序过程。只有在输入端 能连续地提供任务，流水线效率才能充分发挥。
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流水线结构 ① 指令流水线 Instruction Pipeline 要求指令部件每个节拍输出一条指令给执行部件。指令流水 过程要分成更多的子过程。 取 指 令 部 件 指 令 译 码 部 件 地 址 形 成 部 件 取 操 作 数 部 件 操 作 执 行 部 件
取指k+1
执行k+1 取指k+2
Δt
执行k+2
重叠解释不能加快一条指令的实现，但能加快相邻两条指 令以至一段程序的解释。 重叠方式把一条指令的解释过程分解成“取指”，“执行” 两个子过程。若每个子过程需Δt时间，一条指令需2Δt时间完成。 机器每隔Δt时间完成一条指令的解释。吞吐率提高一倍。
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重叠方式与顺序方式的比较
m m 1 1 n
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② 加速比 Speedup Ratio m段流水线的速度与等效的非流水线的速度之比。 •若各段时间不等 加速比：
SP
n ti
i 1
m
Δtj是最慢的一段时间
t
i 1
m
i
(n 1) t j
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流水线上的各段有 “通过时间”和“排空时间”， ③ 效率 Efficiency 并非都是满负荷工作。 流水线上的设备利用率就是效率。
用硬布线（组合逻辑）控制法设计一个简单模型机的控 制单元CU（微操作信号产生电路）。 假设该模型机有 8 条不同类型的指令。包括：算术运算、 逻辑运算、移位、数据传送、访存操作、转移等。根据每条 指令的功能和时序，分析其执行过程中需要在各个阶段产生 的全部微操作，导出产生这些微操作控制信号的逻辑。
提示：需要决定指令周期包括哪几个机器周期，每个机器周期 包括几拍，每拍包括几个时钟，以及时钟周期是多少nS。有些 操作可能还需要规定是在时钟的上升沿或是在时钟的下降沿进 行。
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第6章 中央处理器
Chapter 6 Central Processing Unit
(5) The description of the basic operation of a CPU offered in the previous section describes the simplest form that a CPU can take. This type of CPU, usually referred to as subscalar, operates on and executes one instruction on one or two pieces of data at a time.