第四章 流水线技术

❖ 处理机级或宏流水线级(macro pipelining) ：由两个以上 处理机串行地对同一数据流进行处理，每个处理机完成某一专 门任务，各个处理机所得到的结果需存放在与下一个处理机所 共享的存储器中。
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第四章 流水线技术
2、流水线的分类：
➢ 按功能分类：单功能流水线、多功能流水线
特点：静态流水线仅当指令都是同一类型时才能连续不断地执 行。当从一种功能方式变为另一种功能方式时，必须先排空流 水线，然后再切换成另一种功能进行流水处理。 静态流水线的功能不能频繁地变换，否则它的效率将很低。
动态流水线可以提高流水线的吞吐率和设备的利用率。
取指k 分析k 执行k 取指k+1 分析k+1 执行k+1 …
取指令：按指令计数器的内容访主存，取出该指令送到指令寄存器； 分析：对指令的操作码进行译码，按寻址方式和地址字段形成操作数地址， 并用此地址取操作数，还要为取下条指令提前形成其地址；
执行：对操作数进行运算、处理或存储运算结果。
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提高处理速度和系统使用效率的三条途径：
➢时间重叠 ➢资源重复 ➢资源共享
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第四章 流水线技术
一、 流水线处理概述
CPU工作方式: ➢ 顺序 ➢ 重叠 ➢ 流水 1.顺序解释方式(Sequence)：各条机器指令之间顺序串行地执行，执行完一 条指令后才取出下条指令来执行，而且每条机器指令内部的各个微操作也是 顺序串行地执行。
S空间 （段号）
填入
正常
排空
4
1 2 3 4 5 ... ... ... n-1 n
3
1 2 3 4 5 ... ... ... n-1 n
2
1 2 3 4 5 ... ... ... n-1 n
1 1 2 3 4 5 ... ... ... n-1 n △t △t △t △t △t
m △t
(n-1) △t
❖ 流水线的时空图是描述流水线工作、分析评价流水线效能的重要工具。
2、流水线特点： 1）流水一定重叠，比重叠更苛刻。 2）一条流水线通常由多个流水段组成。 3）每段有专用功能部件，各部件顺序连接，不断流。 4）流水线有建立时间、满载时间、排空时间， 5）各段时间尽量短、一致，不一致时最慢子过程为瓶颈。 6）给出的最大吞吐率等指标，为满负载最佳指标。
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加快指令执行过程的两种方法：
➢在设计中，选用高速的器件、更好的算法及提高指令内部的并行程度 等措施，可以加快每条指令的解释过程； ➢可以通过提高指令间的并行性，使控制结构能并发地解释两条、多条 甚至整段程序来加快整个机器语言程序的解释过程。
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输入 S1
输出
S2
。。。
Sk
L
输入
L
L
流水线的基本结构
IF
ID
EX
取指
译码
执行
S1
S2
S3
指令的流水处理
L
MEM 访存
S4
L
WB 写回 S5
输出
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如果每个子过程经过的时间都是t，则指令的流水线处理过程可用时空图来描 述。
i=1
优点：控制简单；
缺点：速度慢，机器各部件的利用率很低。
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二、流水工作方式
（1） 流水线处理概念和特点 1、流水线的基本概念
流水线技术：将一个重复的时序过程分成若干个子过程，每个 子过程都可有效的在其专用功能段上和其它子过程同时执行的 一种技术。
T时间
流水时空图
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建立时间：在流水线开始时有一段流水线填入时间，使得流水线填 满。即第1条指令从流入到流出所需的时间。
正常流动时间：流水线正常工作，各功能段源源不断满载工作。
排空时间（释放时间）：流水线最后一条指令流入后到流出的时间。
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（2） 流水线的分级、分类
1、流水线的分级：（按处理的级别分级）
❖ 操作部件级(arithmetic pipelining)：将复杂的算逻运算 组成流水工作方式；
❖ 指令级(instruction ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱipelining) ：把一条指令解释过程分 成多个子过程 ；
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取指令
分析
执行
每阶段时间为△t，共n条指令
……
若取指令、分析和执行指令周期都相等，设为△t，则顺序解释n条指令， 需时间T=3×n×△t。
如果每个阶段所需时间不等，各为t取、t分和t执，则顺序执行n条指令所需时 间：
n
T =
(t取 i + t分 i + t执 i)
❖ 单功能流水线(unifunction pipelining)：只能实现一种固 定的专门功能的流水线（如CRAY-1）。
❖ 多功能流水线(multifunction pipelining) ：通过各站间的 不同连接方式可以同时或不同时地实现多种功能的流水线（如 TI-ASC）。
多功能流水线从一种功能变为另一种功能时需要重新连接， 虽然它对资源的利用率可以较高，应用时也较灵活，但它的控 制比单功能流水线复杂得多。因此大多数流水计算机主要采用 单功能流水线。
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第四章 流水线技术
➢ 按工作方式分类：静态流水线、动态流水线
❖静态流水线(static pipelining)：在同一时间内各功能段只能 按一种运算（功能）的连接方式工作。
❖动态流水线(dynamic pipelining) ：在同一时间内各功能段 允许按多种不同运算（功能）的连接方式工作。
➢流水线的基本结构中主要包括三大部分：锁存器、时钟、功 能段（站）。
➢流水线中每个功能段（站）都是由一些执行算术和逻辑功能 的组合逻辑线路组成的，它们可以互相独立地对流过的信息 进行某种操作，相邻两个功能段（站）由高速锁存器（latch） 隔开，信息在各站间的流动靠同时送到各站的时钟信号来控 制。
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