计算机系统结构指令级并行 PPT
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计算机系统结构 指令级并行 4.3 控制相关的动态解决技术
是
预测成功， 后续指令无 延迟执行
问题：解决预测错误或不命中的延迟。 问题：解决预测错误或不命中的延迟。
4.3 控制相关的动态解决技术
采用BTB BTB技术时指令在各种情况下的延迟 3. 采用BTB技术时指令在各种情况下的延迟 指令在BTB中？ 预测结果 实际的动作 是 是 不是 不是 成功 成功 成功 不成功 成功 不成功 延迟周期 0 2 2 0
2／28
4.3 控制相关的动态解决技术
4.3.1 分支预测缓冲
动态分支预测必须解决两个问题： 动态分支预测必须解决两个问题： 两个问题 • 如何记录一个分支操作的历史。 如何记录一个分支操作的历史。 决定预测的走向。 决定预测的走向。 记录分支历史的方法有以下几种： 记录分支历史的方法有以下几种： 仅仅记录最近一次或最近几次的分支历史； （ 1 ） 仅仅记录最近一次或最近几次的分支历史； （2）记录分支成功的目标地址； 记录分支成功的目标地址； （3）记录分支历史和分支目标地址，相当于前 记录分支历史和分支目标地址， 面两种方式的结合； 面两种方式的结合； （4）记录分支目标地址的一条或若干条指令。 记录分支目标地址的一条或若干条指令。
17／28
4.3 控制相关的动态解决技术
BTB命中率 BTB命中率 × 预测错误率 × 2 90% 10% = 90% × 10% × 2 18（时钟周期） = 0.18（时钟周期） 不在BTB BTB中 实际成功，此时的延迟为： （3）不在BTB中，实际成功，此时的延迟为： （1-BTB命中率） × 不在BTB中分支转移成功率 × 2 BTB命中率） 不在BTB中分支转移成功率 命中率 BTB 10% 60% = 10% × 60% × 2 12（时钟周期） = 0.12（时钟周期） 不在BTB BTB中 实际不成功，此时的延迟为0 （4）不在BTB中，实际不成功，此时的延迟为0。
计算机组成原理(本全)课件
计算机组成原理(本 全)课件
目录
CONTENTS
• 计算机系统概述 • 中央处理器(CPU) • 存储器系统 • 输入输出(I/O)系统 • 计算机的体系结构 • 计算机的软件系统
01 计算机系统概述
计算机的发展历程
第一代计算机
电子管计算机，20世纪40年代 中期至50年代末期，主要用于
军事和科学研究领域。
CPU每个时钟周期执行的指令数，是 衡量CPU性能的重要指标。
03 存储器系统
存储器的分类和作用
分类
根据存储器的功能和位置，可以分为内存和外存两大类。内存是计算机内部存储器，用 于存放运算数据和程序代码；外存则是计算机外部存储器，用于长期保存大量数据和程
序。
作用
存储器是计算机的重要组成部分，它负责存储程序运行过程中所需的数据、指令等信息 ，使得CPU能够快速、准确地读取和写入数据，从而完成程序的执行。
软件系统
包括系统软件和应用软件两大类。
操作系统
是计算机的软件系统中最基本、最重要的部分，负责 管理和调度计算机的软硬件资源。
计算机的工作原理
二进制数制
计算机内部采用二进制数制进行运算和存储。
指令和程序
计算机按照程序中预定的指令序列进行自动执 行。
存储程序原理
将程序和数据存储在计算机内部，根据指令从存储器中取出数据和指令进行运 算和传输。
内存的工作原理和组织结构
工作原理
内存由多个存储单元组成，每个单元可以存储一个二进制数 。当CPU需要读取或写入数据时，会通过地址总线发送地址 信号，内存控制器根据地址信号找到对应的存储单元，完成 数据的读取或写入操作。
组织结构
内存的组织结构通常采用线性编址方式，即将内存单元按照 一定顺序排列，每个单元都有一个唯一的地址。内存的容量 大小由地址总线的位数决定，地址总线位数越多，可访问的 内存单元数量就越多。
目录
CONTENTS
• 计算机系统概述 • 中央处理器(CPU) • 存储器系统 • 输入输出(I/O)系统 • 计算机的体系结构 • 计算机的软件系统
01 计算机系统概述
计算机的发展历程
第一代计算机
电子管计算机，20世纪40年代 中期至50年代末期，主要用于
军事和科学研究领域。
CPU每个时钟周期执行的指令数，是 衡量CPU性能的重要指标。
03 存储器系统
存储器的分类和作用
分类
根据存储器的功能和位置，可以分为内存和外存两大类。内存是计算机内部存储器，用 于存放运算数据和程序代码；外存则是计算机外部存储器，用于长期保存大量数据和程
序。
作用
存储器是计算机的重要组成部分，它负责存储程序运行过程中所需的数据、指令等信息 ，使得CPU能够快速、准确地读取和写入数据，从而完成程序的执行。
软件系统
包括系统软件和应用软件两大类。
操作系统
是计算机的软件系统中最基本、最重要的部分，负责 管理和调度计算机的软硬件资源。
计算机的工作原理
二进制数制
计算机内部采用二进制数制进行运算和存储。
指令和程序
计算机按照程序中预定的指令序列进行自动执 行。
存储程序原理
将程序和数据存储在计算机内部，根据指令从存储器中取出数据和指令进行运 算和传输。
内存的工作原理和组织结构
工作原理
内存由多个存储单元组成，每个单元可以存储一个二进制数 。当CPU需要读取或写入数据时，会通过地址总线发送地址 信号，内存控制器根据地址信号找到对应的存储单元，完成 数据的读取或写入操作。
组织结构
内存的组织结构通常采用线性编址方式，即将内存单元按照 一定顺序排列，每个单元都有一个唯一的地址。内存的容量 大小由地址总线的位数决定，地址总线位数越多，可访问的 内存单元数量就越多。
《计算机组成原理》ppt课件
输入输出系统
输入设备
将人类可读的信息转换为计算机 可识别的二进制代码，如键盘、 鼠标等。
I/O控制方式
程序查询方式、中断方式、DMA 方式和通道方式等，用于管理输 入输出操作。
输出设备
将计算机处理后的结果转换为人 类可读的形式，如显示器、打印 机等。
I/O接口
连接输入输出设备与主机，实现 数据缓冲、电平转换和信号匹配 等功能。
括通用寄存器、专用寄存 器等。
指令的执行过程
取指
从内存中读取指令，并将其放入指令寄存器 中。
执行
根据微操作命令序列，控制运算器、寄存器 等部件执行相应的操作。
译码
将指令寄存器中的指令翻译成微操作命令序 列。
写回
将执行结果写回到寄存器或内存中。
CPU的性能指标
主频
CPU的时钟频率，通常以MHz或 GHz表示，主频越高，CPU处理
运算器
执行算术运算和逻辑运算， 处理数据。
寄存器
暂存指令、数据和地址， 提高CPU的运算速度。
存储器
01
主存储器
存放程序和数据的主要区域，直接和CPU交换信息。
02
辅助存储器
长期保存信息，容量大、价格低、速度慢，需通过主存与CPU交换信息。
03
高速缓冲存储器（Cache）
位于CPU和主存之间，存取速度接近CPU，用于缓解主存速度瓶颈问题。
云计算和大数据的融合是未来发展的趋 势，通过云计算平台提供的大数据服务， 可以实现海量数据的存储、处理和分析。 计算机组成原理在云计算和大数据融合 中发挥着重要作用，为构建高效、稳定 的云计算和大数据平台提供了理论支持。
计算机组成原理的发展趋势和挑战
发展趋势
2024年度-并行程序设计导论课件
并行图算法
02
如并行广度优先搜索、并行最短路径算法等，通过并行处理图
数据结构中的节点和边来加速图算法的执行。
并行矩阵运算
03
如矩阵乘法、矩阵转置等，通过并行处理矩阵中的元素来实现
高性能计算。
10
03
并行编程模型与语言
11
共享内存编程模型
原理
多个线程或进程共享同一块内存空间，通过 读写共享变量实现通信和同步。
8
并行算法设计策略
01
任务并行
将问题分解为多个独立任务，并 行执行。
数据并行
02
03
流水线并行
对数据进行分块，并行处理每个 数据块。
将问题分解为一系列阶段，每个 阶段处理一部分数据，并行执行 不同阶段。
9
经典并行算法案例解析
并行排序算法
01
如归并排序、快速排序等，通过并行比较和交换元素实现排序
加速。
生物信息学与基因测序
GPU加速计算在生物信息学和基因测序领域的应用日益增多，能够加 快基因序列比对和分析的速度，促进生物医学研究的发展。
天体物理模拟与宇宙探索
GPU加速计算在天体物理模拟和宇宙探索领域的应用也越来越广泛， 能够加快模拟速度，提高研究效率。
27
07
并行程序性能优化方法与实践
28
性能评价指标与方法
04
云计算
提供基础设施、平台和软件即服务。
22
MapReduce编程模型简介
MapReduce定义
一种编程模型，用于处理和生成大数据集，由 Map和Reduce两个阶段组成。
Reduce阶段
对中间结果中相同键的数据进行聚合操作，生成 最终结果。
计算机系统结构PPT课件
流 水 线 周 期 主时 钟 周期
IF IS RF EX DF DS TC WB
IF IS RF EX DF DS TC WB IF IS RF EX DF DS TC WB IF IS RF EX DF DS TC WB IF IS RF EX DF DS TC WB
当前CPU周期
如果在LOAD指令之后的两条指令中， 任何一条指令要在它的EX流水级使 用这个数据，则指令流水线要暂停一 个时钟周期 采用顺序发射方式
把超标量与超流水线技术结合在一 起，就成为超标量超流水线处理机
5.5.1 指令执行时序 5.5.2 典型处理机结构
5.5.3 超标量超流水线处理机性能
5.5.4 三种指令级并行性处理机性能比较
5.5.1 指令执行时序
超标量超流水线处理机在一个时钟周 期内分时发射指令n次，每次同时发 射指令m条，每个时钟周期总共发射 指令m n条。
5.4 超流水线处理机
两种定义： 一个周期内能够分时发射多条指 令的处理机称为超流水线处理机 指令流水线有8个或更多功能段的 流水线处理机称为超流水线处理机 提高处理机性能的不同方法： 超标量处理机是通过增加硬件资 源为代价来换取处理机性能的 超流水线处理机则通过各硬件部 件充分重叠工作来提高处理机性能
关性允许，IBOX就把两条指令同时发 射给EBOX、ABOX和FBOX三个指令 执行部件中的两个。 指令流水线采用顺序发射乱序完成的控 制方式。在指令Cache中有一个转移 历史表，实现条件转移的动态预测。 在EBOX内还有多条专用数据通路， 可以把运算结果直接送到执行部件。 Alpha 21064处理机共有三条指令流水线 整数操作流水线和访问存储器流水线 分为7个流水段，其中，取指令和分
计算机组成原理(本全PPT)
应用
用作固件存储，如BIOS、固件等。
外存储器
特点
容量大、价格低、速度慢、数据可长期保存。
分类
机械硬盘（HDD）和固态硬盘（SSD）。
外存储器
应用
作为计算机的主要存储设备。
特点
容量大、价格低、速度慢、数据可长期保存。
外存储器
分类
CD、DVD和蓝光光盘等。
应用
用于数据备份和存储。
高速缓存(Cache)
址和控制信号。
总线按照传输信号类型可以分为 数据总线、地址总线和控制总线。
总线按照连接部件可以分为内部 总线和外部总线，内部总线连接 计算机内部各部件，外部总线连
接计算机与外部设备。
主板的结构与功能
主板的结构包括
处理器插座、内存插槽、扩展插槽、硬盘接口、电源接 口等。
主板的功能包括
提供各部件之间的连接，实现数据传输和控制信号传递 ；保障系统的稳定性和可靠性；提供系统扩展能力。
I/O数据传输方式
优点
CPU可以执行其他任务，适用于高速I/O 设备。
VS
缺点
需要设置中断控制器，实现起来较为复杂 。
I/O数据传输方式
优点
CPU不直接参与数据传输，适用于大数据块 传输。
缺点
需要设置DMA控制器，成本较高。
I/O设备控制方式
要点一
优点
简单、易于实现。
要点二
缺点
CPU效率低下，适用于慢速I/O设备。
计算机组成原理(本全ppt)
• 计算机系统概述 • 中央处理器(CPU) • 存储器系统 • 输入输出系统(I/O) • 总线与主板 • 计算机系统性能评价与优化
01
计算机系统概述
计算机的发展历程
用作固件存储，如BIOS、固件等。
外存储器
特点
容量大、价格低、速度慢、数据可长期保存。
分类
机械硬盘（HDD）和固态硬盘（SSD）。
外存储器
应用
作为计算机的主要存储设备。
特点
容量大、价格低、速度慢、数据可长期保存。
外存储器
分类
CD、DVD和蓝光光盘等。
应用
用于数据备份和存储。
高速缓存(Cache)
址和控制信号。
总线按照传输信号类型可以分为 数据总线、地址总线和控制总线。
总线按照连接部件可以分为内部 总线和外部总线，内部总线连接 计算机内部各部件，外部总线连
接计算机与外部设备。
主板的结构与功能
主板的结构包括
处理器插座、内存插槽、扩展插槽、硬盘接口、电源接 口等。
主板的功能包括
提供各部件之间的连接，实现数据传输和控制信号传递 ；保障系统的稳定性和可靠性；提供系统扩展能力。
I/O数据传输方式
优点
CPU可以执行其他任务，适用于高速I/O 设备。
VS
缺点
需要设置中断控制器，实现起来较为复杂 。
I/O数据传输方式
优点
CPU不直接参与数据传输，适用于大数据块 传输。
缺点
需要设置DMA控制器，成本较高。
I/O设备控制方式
要点一
优点
简单、易于实现。
要点二
缺点
CPU效率低下，适用于慢速I/O设备。
计算机组成原理(本全ppt)
• 计算机系统概述 • 中央处理器(CPU) • 存储器系统 • 输入输出系统(I/O) • 总线与主板 • 计算机系统性能评价与优化
01
计算机系统概述
计算机的发展历程
archit44
系统结构
4.3 动态分支预测技术
指令并行
处理器可达到的指令级并行度越高，控制相关 的影响越大 动态解决技术利用硬件对程序运行时分支的行 为进行预测，提前对分支操作做出反应，加快 分支处理的速度。分支预测的效果不仅取决于 其准确性，而且与分支预测时的开销密切相关。 分支转移的最终延迟取决于流水线的结构、预 测的方法和预测错误后恢复所采取的策略 动态分支预测技术要记录分支指令的历史、并 据此决定预测的分支，还要尽快找到分支目标 地址，从而避免控制相关造成流水线停顿
4.4 多指令流出技术
指令并行
将等于1的理想CPI减小，必须实现一个时钟周 期流出（发射issue）多条指令
超标量(Superscalar)处理器：每个时钟周期流出多条 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，每个时钟周期流出一条长指令 超级流水线(Super pipelining)：将每个功能部件进一 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）
WAW 冲突 （输出相关引起） 如果在SUB.D写入F10 之 前 ADD.D 执 行 结 束 ， 会出现问题
寄存器换名可以消除WAR和WAW冲突
指令并行
DIV.D F4,F0,F2 SUB.D F10,F4,F6 ADD.D F8,F12,F14
DIV.D F4,F0,F2 SUB.D F10,F4,F6 ADD.D F8,F6,F14
① 根据历史记录（预测位状态）进行分支预测 ② 根据实际分支情况修改预测位
4.3 动态分支预测技术
指令并行
处理器可达到的指令级并行度越高，控制相关 的影响越大 动态解决技术利用硬件对程序运行时分支的行 为进行预测，提前对分支操作做出反应，加快 分支处理的速度。分支预测的效果不仅取决于 其准确性，而且与分支预测时的开销密切相关。 分支转移的最终延迟取决于流水线的结构、预 测的方法和预测错误后恢复所采取的策略 动态分支预测技术要记录分支指令的历史、并 据此决定预测的分支，还要尽快找到分支目标 地址，从而避免控制相关造成流水线停顿
4.4 多指令流出技术
指令并行
将等于1的理想CPI减小，必须实现一个时钟周 期流出（发射issue）多条指令
超标量(Superscalar)处理器：每个时钟周期流出多条 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，每个时钟周期流出一条长指令 超级流水线(Super pipelining)：将每个功能部件进一 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）
WAW 冲突 （输出相关引起） 如果在SUB.D写入F10 之 前 ADD.D 执 行 结 束 ， 会出现问题
寄存器换名可以消除WAR和WAW冲突
指令并行
DIV.D F4,F0,F2 SUB.D F10,F4,F6 ADD.D F8,F12,F14
DIV.D F4,F0,F2 SUB.D F10,F4,F6 ADD.D F8,F6,F14
① 根据历史记录（预测位状态）进行分支预测 ② 根据实际分支情况修改预测位
《计算机体系结构》课件
ABCD
理解指令集体系结构、处 理器设计、存储系统、输 入输出系统的基本原理和 设计方法。
培养学生对计算机体系结 构领域的兴趣和热情，为 未来的学习和工作打下坚 实的基础。
CHAPTER
02
计算机体系结构概述
计算机体系结构定义
计算机体系结构是指计算机系统的整 体设计和组织结构，包括其硬件和软 件的交互方式。
CHAPTER
06
并行处理与多核处理器
并行处理概述
并行处理
指在同一时刻或同一时间间隔内 完成两个或两个以上工作的能力
。
并行处理的分类
时间并行、空间并行、数据并行和 流水并行。
并行处理的优势
提高计算速度、增强计算能力、提 高资源利用率。
多核处理器
1 2
多核处理器
指在一个处理器上集成多个核心，每个核心可以 独立执行一条指令。
间接寻址
间接寻址是指操作数的有效地址通过寄存器间接给出，计算机先取出 寄存器中的地址，再通过该地址取出操作数进行操作。
CHAPTER
04
存储系统
存储系统概述
存储系统是计算机体系结构中 的重要组成部分，负责存储和 检索数据和指令。
存储系统通常由多个层次的存 储器组成，包括主存储器、外 存储器和高速缓存等。
《计算机体系结构》ppt 课件
CONTENTS
目录
• 引言 • 计算机体系结构概述 • 指令系统 • 存储系统 • 输入输出系统 • 并行处理与多核处理器 • 流水线技术 • 计算机体系结构优化技术
CHAPTER
01
引言
课程简介
计算机体系结构是计算机科学的一门核心课程，主要研究计算机系统的基本组成、组织结构、工作原 理及其设计方法。
中科大计算机组成原理课件ppt
• 唐本（William Stallings）
– 农村包围城市：总线、存储、I/O、ALU、CPU
• llxx
– 目标：理解构建计算机系统的过程
• 十字箴言：“功能、组织、过程、定时、度量”
– China-ring：快速原型法（prototype）
• 总线、RAM、CPU，存储系统(Cache、辅存)、I/O、ALU
• 基于x86的Debug环境，编写任意10个数值的冒 泡排序程序，并调试运行。
– 成果要求：
• 报告设计过程、结果（汇编代码、内存数据段映像）、出现 的典型问题及解决过程； • 要求结果体现个人ID。
实验课
• 设计实现《计算机系统概论》的 LC-3模型机（见附录A/C）
– 共16条指令，指令集具有RISC特征
Basic computer organization, first look at pipelines + caches 从C语言程序的执行 角度讨论计算机组成 原理，但重点关注 MIPS处理器和存储系 统，其他关注很少
Computer Architecture, First look at parallel architectures
Course Schedule
1. 2. 3. 4. 5. 6.
•
概论（4） 总线（4） RAM/ROM（4） ISA（4） CPU （4）
功能、组成、时序、中断系统
A模型CPU控制器设计（6）
组合逻辑、微程序
7.
•
MIPS处理器设计（6）
指令集、单周期、多周期、流水线
8. 9.
•
Cache（4） 辅存（5）
MIT
• 我在这里的第一学期上了一门叫 《计算机系统设计》得 本科课程，其辛苦程度真实一言难尽。十五个星期内交了 十次作业，作了六次课程设计。有的设计还分几个部分， 分开交设计报告。所以设计报告大概也交了有十次左右。 最恐怖的是有一次，十天内要交六份作业或设计报告，而 且当时正值其他几门课正在期中考试。抱怨是没有用的， 老师说："我很抱歉。但这门课很重要，请大家不停的工 作。"学生从一般的逻辑时序电路开始设计（数电都已忘 得差不多了）；核心是自行设计"麻雀虽小五脏俱全"得 ALU，单指令周期CPU（single cycle CPU）；多指令 CPU（Multi-cycle CPU）；以直到最后实现流水线（pipe line）32位MIPS CPU和Cache。一门课下来，所有与计 算机CPU有关的知识全部融会贯通。硬件设计水平也有了 很大提高（就是太累）。
计算机组成原理(本全PPT)白中英
32
为提高数据的表示精度，当尾数的值不为 0 时，其绝 对值应≥0.5，即尾数域的最高有效位应为1,否则以修 改阶码同时左右移小数点的办法，使其变成这一表 示形式，这称为浮点数的规格化表示。
101.1101=0.1011101×20011=0.010111010×20100
规格化表示为尾数是0.1011101，阶码是0011 而尾数是0.01011101，阶码是0100不是规格化表示。
16
(347) 8 =3×82+4×81+7×80=(103)10 (347.5) 8 =3×82+4×81+7×80+5×8-1 =(231.625)10 (34E.5) 16 =3×162+4×161+14×160+5×16-1 =(846.3125)10
17
2、不同数制间的转换 1＞十进制八，十六进制二进制 法则 整数部分：除8（16）取余数 小数部分：乘8（16）取整 重复循环
0≤︱X︱≤2n －1 或： — (2n －1)≤ X≤2n －1 （16位整数范围：— (215 －1)≤ X≤ (215 －1)
25
2、浮点表示法 1＞数的浮点表示 其范围和精度部分分别用定点数表示 123.45=1234.5×10－1=12345×10 －2 =123450×10 － 3 4796.54＝0 . 479654×104 0.00479654＝ 0 . 479654×10－2 －0.00479654＝ －0 . 479654×10－2
27
任意十进制N，可以化为 N＝M×10E 其中M为小数，E为整数 一个数S的任意进制表示 （S）R＝m×Re m ：尾数，是一个纯小数。 e ：比例因子的指数，称为浮点的指数，是一个 整数。 R ：比例因子的基数，对于二进计数值的机器 是一个常数，一般规定Ｒ 为2，8或16。
计算机硬件体系结构_图文
3.2 微型计算机主机结构
3.2.4 内存储器 内存储器在主机内部(简称内存)，一般由半
导体材料构成。内存储器可分为只读存储器和 随机读写存储器。
内存储器分类
3.2 微型计算机主机结构
1. 只读存储器 •特点：存储的信息只能读出，不能随机改写或 存入，断电后信息不会丢失，可靠性高。 •ROM分类
3.1 计算机系统的构成 典型的计算机硬件体系结构如下 ：
CPU
（含运算 器和控制
器）
地址总线（AB ）
数据总线（DB）
控制总线（CB）
RAM
ROM
I/O接口
I/O设备
3.1计算机系统的构成
冯·诺依曼计算机体系结构的主要特点是： (1) 采用二进制形式表示程序和数据。 (2) 计算机硬件是由运算器、控制器、存储器、输 入设备和输出设备五大部分组成 。 (3) 程序和数据以二进制形式存放在存储器中。 (4) 控制器根据存放在存储器中的指令 (程序) 工作 。
② 数据总线。传输的是数据，一般是双向传输 。CPU进行“读”时，数据由外设流向CPU，当CPU进 行“写”时，数据由CPU流向外设。
③ 控制总线。传输的是对外设进行控制和状态 检测的信号，有的是CPU向内存或外部设备发出的信 号；有的是内存或外部设备向CPU发出的信号。对每 条控制线而言信号是单向传送，但作为整体是双向的 。
3.2 微型计算机主机结构
3.2.5 总线 总线：是一组连接各个部件的公共通信线路，是计 算机内部传输指令、数据和各种控制信息的高速通 道，是计算机硬件的一个重要组成部分。 总线按所传输信号不同可分为： 数据总线 地址总线 控制总线。
3.2 微型计算机主机结构
① 地址总线。传输的是地址信号，一般是单向 传输。当CPU需要访问某个外设时，它向地址总线发 出相应外设的地址信号，以选择某个外设。
哈工大并行计算第一章PPT课件
26
脉动阵列的特点：
处理单元简单 流水 算法专业
27
例：数据流计算机 数据流的计算模型--试图使并行计算的
基本方面在机器层显式化，而不利用有 可能限制程序并行性的人为约束。
它的想法是程序由一个基本数据依赖图来表 示；
一个指令可能在获得了它的操作数后的任意 时刻被执行，不是显式控制线性程序列的固 定组合。
22
2.Flynn分类法 MkhealFlynn(1972)根据指令和数据流概 念提出了不同计算机系统结构的分类法。
23
24
传统的顺序机被称为SISD(单指令流 单数据流)计算机。
向量计算机--标量和向量硬件装备， 或以SIMD(单指令流多数据流)机的形 式出现。
并行计算机则属MIMD(多指令流多数 据流)机
并行处理与体系结构
联系方式：综合楼220 电话：
1
课程背景
并行处理技术已经成为现代计 算机科研与发展的关键技术；
其推动力来自实际应用对高性 能、低价格和持续生产力日益 增长的要求
2
计算机原理的概念 计算机体系结构的概念 (Amdahl)；
3
并行主要研究：
先行方式、流水方式、向量化； 并发性、同时性； 数据并行性、划分； 交叉、重叠、多重性、重复； 时间共享、空间共享； 多任务处理、多道程序、多线程
存在一些有效的方法：
将编译器命令插入源代码，帮编译器做出较好的结果。 这样，用户可与编译器进行交互重构程序，这已被证 明对提高并行计算机性能是十分有用的。
16
7.并行程序的设计环境
隐式并行性
伊利诺依大学的David Kuck和Rice大学 的KenKennedy以及他们的合作者都已采 用这种隐式并行性方法。
脉动阵列的特点：
处理单元简单 流水 算法专业
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例：数据流计算机 数据流的计算模型--试图使并行计算的
基本方面在机器层显式化，而不利用有 可能限制程序并行性的人为约束。
它的想法是程序由一个基本数据依赖图来表 示；
一个指令可能在获得了它的操作数后的任意 时刻被执行，不是显式控制线性程序列的固 定组合。
22
2.Flynn分类法 MkhealFlynn(1972)根据指令和数据流概 念提出了不同计算机系统结构的分类法。
23
24
传统的顺序机被称为SISD(单指令流 单数据流)计算机。
向量计算机--标量和向量硬件装备， 或以SIMD(单指令流多数据流)机的形 式出现。
并行计算机则属MIMD(多指令流多数 据流)机
并行处理与体系结构
联系方式：综合楼220 电话：
1
课程背景
并行处理技术已经成为现代计 算机科研与发展的关键技术；
其推动力来自实际应用对高性 能、低价格和持续生产力日益 增长的要求
2
计算机原理的概念 计算机体系结构的概念 (Amdahl)；
3
并行主要研究：
先行方式、流水方式、向量化； 并发性、同时性； 数据并行性、划分； 交叉、重叠、多重性、重复； 时间共享、空间共享； 多任务处理、多道程序、多线程
存在一些有效的方法：
将编译器命令插入源代码，帮编译器做出较好的结果。 这样，用户可与编译器进行交互重构程序，这已被证 明对提高并行计算机性能是十分有用的。
16
7.并行程序的设计环境
隐式并行性
伊利诺依大学的David Kuck和Rice大学 的KenKennedy以及他们的合作者都已采 用这种隐式并行性方法。
《指令系统 》课件
指令系统的发展也推动了计算机系统的进步，如随着指令集架构的演进，计算机系统的功能越来越强大 ，性能也越来越高。
在人工智能领域的应用
指令系统在人工智能领域中也有 着广泛的应用。人工智能算法的 实现需要大量的计算和数据处理 ，而指令系统可以提供高效的运 算能力和数据处理能力，为人工 智能算法的运行提供支持。
总之，指令系统作为一种底层技术，在各个领域都有着广泛的应用前景，为各行业的发展提供了重要 的技术支持。
05 指令系统的未来发展
指令系统的发展趋势
指令系统向更高效能发展
01
随着技术的进步，指令系统将不断优化，提高执行效率和性能
。
指令系统向更智能化发展
02
人工智能技术的引入将使指令系统具备更强的自适应和学习能
指令系统还可以用于人工智能领 域的模型优化和算法加速，如通 过优化指令系统实现深度学习模 型的快速推理和训练，提高人工 智能应用的性能和效率。
此外，指令系统还可以用于人工 智能领域的安全性和隐私保护， 如通过加密指令或硬件安全模块 等手段保护用户隐私和数据安全 。
在其他领域的应用
除了计算机系统和人工智能领域，指令系统在其他领域也有着广泛的应用。如通信领域中，指令系统 可以用于信号处理和调制解调等操作；在图形处理领域中，指令系统可以用于图像处理和渲染等操作 ；在科学计算领域中，指令系统可以用于数值计算和模拟等操作。
研究如何将人工智能技术应用于指令系统，使其具备更强的智能化 能力。
未来指令系统的发展前景
01
广泛应用于云计算、大数据等领域
随着云计算、大数据等技术的普及，指令系统将在这些领域发挥重要作
用。
02
成为人工智能技术的关键组成部分
随着人工智能技术的发展，指令系统将成为实现人工智能的重要工具。
在人工智能领域的应用
指令系统在人工智能领域中也有 着广泛的应用。人工智能算法的 实现需要大量的计算和数据处理 ，而指令系统可以提供高效的运 算能力和数据处理能力，为人工 智能算法的运行提供支持。
总之，指令系统作为一种底层技术，在各个领域都有着广泛的应用前景，为各行业的发展提供了重要 的技术支持。
05 指令系统的未来发展
指令系统的发展趋势
指令系统向更高效能发展
01
随着技术的进步，指令系统将不断优化，提高执行效率和性能
。
指令系统向更智能化发展
02
人工智能技术的引入将使指令系统具备更强的自适应和学习能
指令系统还可以用于人工智能领 域的模型优化和算法加速，如通 过优化指令系统实现深度学习模 型的快速推理和训练，提高人工 智能应用的性能和效率。
此外，指令系统还可以用于人工 智能领域的安全性和隐私保护， 如通过加密指令或硬件安全模块 等手段保护用户隐私和数据安全 。
在其他领域的应用
除了计算机系统和人工智能领域，指令系统在其他领域也有着广泛的应用。如通信领域中，指令系统 可以用于信号处理和调制解调等操作；在图形处理领域中，指令系统可以用于图像处理和渲染等操作 ；在科学计算领域中，指令系统可以用于数值计算和模拟等操作。
研究如何将人工智能技术应用于指令系统，使其具备更强的智能化 能力。
未来指令系统的发展前景
01
广泛应用于云计算、大数据等领域
随着云计算、大数据等技术的普及，指令系统将在这些领域发挥重要作
用。
02
成为人工智能技术的关键组成部分
随着人工智能技术的发展，指令系统将成为实现人工智能的重要工具。
并行程序设计导论PPT课件
消息传递编程模型
特点
各个并行部分之间通过发送和接收消 息来进行通信和同步。
优点
可扩展性好，适用于分布式内存系统 。
缺点
编程复杂，需要显式地管理通信和同 步。
应用场景
适用于大规模并行处理系统、集群计 算等。
数据并行编程模型
特点
优点
将相同的操作同时应用于不同的数据元素 ，实现数据级别的并行性。
编程简单，易于实现并行化。
04
常用并行算法介绍
并行排序算法
如并行快速排序、并行归并排序等，用于大规模数据的排序。
并行图算法
如并行广度优先搜索、并行最短路径算法等，用于图论问题的求解。
并行矩阵运算
如矩阵乘法、矩阵分解等，是科学计算和工程应用中常见的并行算法。
并行数值计算
如并行蒙特卡罗方法、并行有限元方法等，用于数值计算问题的求解。
06
并行程序设计实践
并行程序设计实验环境搭建
硬件环境
选择适合并行计算的硬件设备，如多 核CPU、GPU或分布式计算集群。
网络环境
确保实验环境中的网络连接稳定，以 便进行分布式并行计算。
软件环境
安装并行程序设计所需的操作系统、 编译器、调试器和性能分析工具。
并行程序设计实验项目介绍
矩阵乘法
通过并行计算加速矩阵乘 法运算，提高计算效率。
Intel VTune Amplifier
针对NVIDIA GPU的并行程序性 能分析工具，可以对CUDA程序 进行性能分析和优化。
并行程序优化策略
任务划分与负载均衡
将并行任务划分为多个子任务，并分配 给不同的处理单元，实现负载均衡，提
高并行效率。
数据局部性优化
指令级并行
5
采用的基本技术
2020/7/10
计算机体系结构
6
本章遵循的指令延时
产生结果的指令 使用结果的指令 所需延时
FP ALU op
Another FP ALU op
3
FP ALU op
Store double
2
Load double
FP ALU op
1
Load double
Store double
0
第5章 指令级并行
• 指令集并行的基本概念及挑战 • 软件方法挖掘指令集并行
• 基本块内的指令集并行
• 硬件方法挖掘指令集并行
• Scoreboard • Tomasulo
• 跨越基本块的指令集并行 • 基于硬件的推测执行 • 以多发射和静态调度来挖掘指令集并行 • 以动态调度、多发射和推测执行来挖掘指令集并行
单线程（逻辑上）中并行处理多个数据 （SIMD/Vector execution） 一个程序计数器, 多个执行部件
• 指令级并行
针对单一指令流，多个执行部件并行执行不同的指令
2020/7/10
计算机体系结构
3
Review: 基本流水线
• 流水线提高的是指令带宽（吞吐率），而不是单条指令 的执行速度
• 相关限制了流水线性能的发挥
• 结构相关：需要更多的硬件资源 • 数据相关：需要定向，编译器调度 • 控制相关：尽早检测条件，计算目标地址，延迟转移，预测
• 增加流水线的级数会增加相关产生的可能性
• 异常，浮点运算使得流水线控制更加复杂
• 编译器可降低数据相关和控制相关的开销
• Load 延迟槽 • Branch 延迟槽 • Branch预测
计算机系统结构(第3版)教学课件第4章 指令级并行
▲
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4.1 指令级并行
3. 循环级并行：使一个循环中的不同循环体并行执行。 ➢ 开发循环体中存在的并行性
最常见、最基本
➢ 指令级并行研究的重点之一
例如，考虑下述语句： for （i=1； i<=500； i=i＋1） a[i]=a[i]＋s；
每一次循环都可以与其他的循环重叠并行执行； 在每一次循环的内部，却没有任何的并行性。
▲
22/135
4.2 指令的动态调度
➢ 消除名相关
引入两个临时寄存器S和T
把这段代码改写为：
DIV.D
F0，F2，F4
ADD.D
S，F0，F8
S.D
S，0（R1）
SUB.D 两个F8都换名为T MUL.D
T，F10，F14 F6，F10，T
两个F6都换名为S
4. 基于Tomasulo算法的MIPS处理器浮点部件的基本结构
第4章 指令级并行
▲
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4.1 指令级并行的概念 4.2 指令的动态调度 4.3 动态分支预测技术 4.4 多指令流出技术 4.5 循环展开和指令调度
▲
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4.1 指令级并行
4.1.1 指令级并行的概念
➢ 几乎所有的处理机都利用流水线来使指令重叠并 行执行，以达到提高性能的目的。这种指令之间 存在的潜在并行性称为指令级并行。
➢ 读操作数（Read Operands，RO）：等待数据冲 突消失，然后读操作数。
(out of order execution)
IS
RO
检测结构冲突 检测数据冲突
▲
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4.2 指令的动态调度
2. 在前述5段流水线中，是不会发生WAR冲突和WAW冲突 的。但乱序执行就使得它们可能发生了。
计算机系统结构电子教案课公开课获奖课件
第5页
6
6.1 基本指令调度及循环展开
模拟软件Cycles图：
模拟成果比分析成果多1拍原因在于模拟器流水线存在“构造冲突”。
.2.17
第6页
7
6.1 基本指令调度及循环展开
(2) 调度、延迟分支后有关链分析 (注意S.D指令需要修改offset值)：
时钟 标号
新链 1
1 Loop L.D F0,0(R1)
浮点ALU
F0 F1 F2 F3 MEM WB
(b) 实际可用流水线构造
第2页
3
• 第6章采用流水线模型
(1) 采用P90图3.33优化流水线方案： 有关指令之间采用定向技术（包括前、后半周期定向），以减少停止； 在ID段处理分支指令，分支停止为1个时钟周期； 采用延迟分支技术，设1个延迟槽。
(2) 有关浮点指令之间停止：浮点数在“执行”段需4拍，其他段为1拍。 两条有关浮点指令之间至少停止周期数如下表（即教材P153表6.1）
者之间安排其他无关指令，减少直至消除流水线停止。
例6.1（P154）：将如下C语言源程序编译成MIPS目旳代码，然后使用指令
调度技术、延迟分支技术优化其代码性能（指缩短运行时间）。
.2.17
for(i=1000;i>0;i- -)
x[i]=x[i]+s;
解：
(1)初步编译成果如下
Loop： L.D F0, 0(R1) //F0←1个向量元素
B[i+1]=B[i]+A[i+1]; /*S2*/ B[i+2]=B[i+1]+A[i+2]; /*S2*/
(1) 循环迭代内有关：蓝色箭头； (2) 循环携带有关：红色箭头。
6
6.1 基本指令调度及循环展开
模拟软件Cycles图：
模拟成果比分析成果多1拍原因在于模拟器流水线存在“构造冲突”。
.2.17
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7
6.1 基本指令调度及循环展开
(2) 调度、延迟分支后有关链分析 (注意S.D指令需要修改offset值)：
时钟 标号
新链 1
1 Loop L.D F0,0(R1)
浮点ALU
F0 F1 F2 F3 MEM WB
(b) 实际可用流水线构造
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3
• 第6章采用流水线模型
(1) 采用P90图3.33优化流水线方案： 有关指令之间采用定向技术（包括前、后半周期定向），以减少停止； 在ID段处理分支指令，分支停止为1个时钟周期； 采用延迟分支技术，设1个延迟槽。
(2) 有关浮点指令之间停止：浮点数在“执行”段需4拍，其他段为1拍。 两条有关浮点指令之间至少停止周期数如下表（即教材P153表6.1）
者之间安排其他无关指令，减少直至消除流水线停止。
例6.1（P154）：将如下C语言源程序编译成MIPS目旳代码，然后使用指令
调度技术、延迟分支技术优化其代码性能（指缩短运行时间）。
.2.17
for(i=1000;i>0;i- -)
x[i]=x[i]+s;
解：
(1)初步编译成果如下
Loop： L.D F0, 0(R1) //F0←1个向量元素
B[i+1]=B[i]+A[i+1]; /*S2*/ B[i+2]=B[i+1]+A[i+2]; /*S2*/
(1) 循环迭代内有关：蓝色箭头； (2) 循环携带有关：红色箭头。
计算机组成原理ppt课件
常见输入输出接口类型和特点比较
要点一
常见输入输出接口类型
要点二
特点比较
常见的输入输出接口类型包括PS/2接口、USB接口、HDMI 接口、DisplayPort接口、SATA接口等。
不同的输入输出接口类型具有不同的特点，如传输速度、支 持热插拔、连接方式等。例如，USB接口支持热插拔和即插 即用，而SATA接口则主要用于连接硬盘和光驱等存储设备。
定点数表示与运算方法
定点数表示方法
阐述定点数的表示方法，包括符号位、 数值位等，并介绍定点数的范围及精 度。
定点数加减运算
详细讲解定点数的加减运算方法，包 括补码加减运算等。
定点数乘除运算
介绍定点数的乘除运算方法，包括原 码乘除、补码乘除等算法。
定点数运算器的设计
阐述定点数运算器的设计原理和实现 方法，包括加法器、减法器、乘法器 和除法器等。
当中断发生时，计算机首先保存当前程序的执行状态，然后转去执行中断处理程序。中断处理程序执行完毕 后，计算机再返回原程序继续执行。这个过程需要由计算机的操作系统来管理和控制。
THANK YOU
指令系统设计原则和优化策略
有效性原则
指令系统应能有效地支持高级 语言的实现，提高程序执行效 率。
兼容性原则
新设计的指令系统应尽可能与 已有的指令系统保持兼容。
完备性原则
指令系统应满足程序设计的各 种需求，具备完备性。
规整性原则
指令系统应尽可能规整，简化 硬件实现和软件编程。
优化策略
采用流水线技术、超标量技术、 乱序执行技术等优化策略，提 高指令执行速度和效率。
高速缓冲存储器（Cache）原理及应用
Cache原理
Cache是一种高速缓冲存储器，它位于CPU和内存之间，用于存储CPU最近访问过的数 据和指令。通过Cache技术，可以提高CPU访问内存的效率和速度。
计算机体系结构.ppt
8种属性
• 1·机内数据表示：硬件能直接 辨识和操作的数据类型和格式 计算机体系结构 计算机体系结 构
• 2·寻址方式：最小可寻址单位、 寻址方式的种类、地址运算
• 3·寄存器组织：操作寄存器、 变址寄存器、控制寄存器及专 用寄存器的定义、数量和使用 规则
• 4·指令系统：机器指令的操作 类型、格式、指令间排序和控 制机构
基本概念
• 计算机体系结构就是指适当地组织在一起的一系列系统元 素的集合，这些系统元素互相配合、相互协作，通过对信 息的处理而完成预先定义的目标。通常包含的系统元素有： 计算机软件、计算机硬件、人员、数据库、文档和过程。 其中，软件是程序、数据库和相关文档的集合，用于实现 所需要的逻辑方法、过程或控制；硬件是提供计算能力的 电子设备和提供外部世界功能的电子机械设备(例如传感 器、马达、水泵等)；人员是硬件和软件的用户和操作者； 数据库是通过软件访问的大型的、有组织的信息集合；文 档是描述系统使用方法的手册、表格、图形及其他描述性 信息；过程是一系列步骤，它们定义了每个系统元素的特 定使用方法或系统驻留的过程性语境。
谢谢欣赏！
Байду номын сангаас
• 计算机系统结构的逻辑实现，包括机器内部数据流和控制 流的组成以及逻辑设计等。其目标是合理地把各种部件、 设备组成计算机，以实现特定的系统结构，同时满足所希 望达到的性能价格比。一般而言，计算机组成研究的范围 包括：确定数据通路的宽度、确定各种操作对功能部件的 共享程度、确定专用的功能部件、确定功能部件的并行度、 设计缓冲和排队策略、设计控制机构和确定采用何种可靠 技术等。计算机组成的物理实现。包括处理机、主存等部 件的物理结构，器件的集成度和速度，器件、模块、插件、 底板的划分与连接，专用器件的设计，信号传输技术，电 源、冷却及装配等技术以及相关的制造工艺和技术。
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➢ 通过代码变换，消除相关。 2. 程序顺序：由源程序确定的在完全串行方式下指令的
执行顺序。
必须保持程序顺序
4.1 指令级并行
1. 控制相关并不是一个必须严格保持的关键属性。 2. 对于正确地执行程序来说，必须保持的最关键的两个
属性是：数据流和异常行为。 ➢ 保持异常行为是指：无论怎么改变指令的执行顺 序，都不能改变程序中异常的发生情况。
F6, F8, F14
存在输出相关
Tomasulo算法可以通过使用寄存器重命名来消除。
4.2 指令的动态调度
1. 动态调度的流水线支持多条指令同时处于执行当中。 ➢ 要求：具有多个功能部件、或者流水功能部件、 或者兼而有之。 ➢ 我们假设具有多个功能部件。
(out of order execution)
IS
RO
检测结构冲突 检测数据冲突
4.2 指令的动态调度
1. 在前述5段流水线中，是不会发生WAR冲突和WAW冲突 的。但乱序执行就使得它们可能发生了。
➢ 例如，考虑下面的代码
存在反相关
DIV.D SUB.D ADD.D
F10, F0, F2 F10, F4, F6
4.1 指令级并行
1. 循环级并行：使一个循环中的不同循环体并行执行。 ➢ 开发循环体中存在的并行性
最常见、最基本
➢ 是指令级并行研究的重点之一 ➢ 例如，考虑下述语句：
for （i=1； i<=500； i=i＋1） a[i]=a[i]＋s； 每一次循环都可以与其他的循环重叠并行执行； 在每一次循环的内部，却没有任何的并行性。
第4章 指令级并行
4.1 指令级并行的概念 4.2 指令的动态调度 4.3 动态分支预测技术 4.4 多指令流出技术 4.5 循环展开和指令调度
4.1 指令级并行
4.1.1 指令级并行的概念
➢ 几乎所有的处理机都利用流水线来使指令重叠并 行执行，以达到提高性能的目的。这种指令之间 存在的潜在并行性称为指令级并行。
4.1 指令级并行
1. 最基本的开发循环级并行的技术 ➢ 循环展开（loop unrolling）技术 ➢ 采用向量指令和向量数据表示
2. 相关与流水线冲突 ➢ 相关有三种类型：
数据相关、名相关、控制相关
➢ 流水线冲突是指对于具体的流水线来说，由于相关 的存在，使得指令流中的下一条指令不能在指定的 时钟周期执行。
➢ 数据流：指数据值从其产生者指令到其消费者指 令的实际流动。
分支指令使得数据流具有动态性，因为它使得给定 指令的数据可以有多个来源。
仅仅保持数据相关性是不够的，只有再加上保持控 制顺序，才能够保持程序顺序。
4.1 指令级并行
举例： DADDU
R1，R2，R3
BEQZ R4，L1
DSUBU R1，R5，R6
L1 ：…
OR
R7，R1，R8
➢ 有时，不遵守控制相关既不影响异常行为，也不 改变数据流。
可以大胆地进行指令调度，把失败分支中的指令调 度到分支指令之前。
4.1 指令级并行
举例： DADDU BEQZ DSUBU DADDU
Skipnext：OR
R1，R2，R3 R12，Skipnext R4，R5，R6 R5，R4，R9 R7，R8，R9
CPI流水线 = CPI理想 + 停顿结构冲突 + 停顿数据冲突 + 停顿控制冲突
➢ 理想CPI是衡量流水线最高性能的一个指标。 ➢ IPC：Instructions Per Cycle
（每个时钟周期完成的指令条数）
1. 基本程序块 ➢ 基本程序块：一段除了入口和出口以外不包含其 他分支的线性代码段。 ➢ 程序平均每5～7条指令就会有一个分支。
检测结构冲突 检测数据冲突 一旦一条指令受阻，其后的指令都将停顿。 解决办法： 允许乱序执行
4.2 指令的动态调度
1. 为了允许乱序执行，我们将5段流水线的译码阶段再 分为两个阶段：
➢ 流出（Issue，IS）：指令译码，检查是否存在 结构冲突。 （in-order issue)
➢ 读操作数（Read Operands，RO）：等待数据冲 突消失，然后读操作数。
流水线冲突有三种类型：结构冲突、数据冲突、控制冲突
4.1 指令级并行
➢ 相关是程序固有的一种属性，它反映了程序中指 令之间的相互依赖关系。
➢ 具体的一次相关是否会导致实际冲突的发生以及 该冲突会带来多长的停顿，则是流水线的属性。
1. 可以从两个方面来解决相关问题： ➢ 保持相关，但避免发生冲突。
指令调度
即原来程序中是怎么发生的，改变执行顺序后还是 怎么发生。
弱化为：指令执行顺序的改变不能导致程序中发生 新的异常。
➢ 如果我们能做到保持程序的数据相关和控制相关， 就能保持程序的数据流和异常行为。
4.1 指令级并行
举例说明 DADDU
R2，R3，R4
BEQZ
R2，L1
LW
R1，0（R2）
L1 ：
优点： 能够处理一些在编译时情况不明的相关（比如涉 及到存储器访问的相关），并简化了编译器； 能够使本来是面向某一流水线优化编译的代码在 其他的流水线（动态调度）上也能高效地执行。
以硬件复杂性的显著增加为代价
4.2 指令的动态调度
4.2.1 动态调度的基本思想
到目前为止我们所使用流水线的最大的局限性:
➢ 指令必须按序流出和执行
➢ 考虑下面一段代码：
DIV.D
F4，F0，F2
SUB.D
F10，F4，F6
ADD.D
F12，F6，F14
SUB.D指令与DIV.D指令关于F4相关，导致
流水线停顿。
ADD.D指令与流水线中的任何指令都没有关
系，但也因此受阻。
4.2 指令的动态调度
在前面的基本流水线中：
ID
（ILP：Instruction-Level Parallelism）
➢ 本章研究：如何通过各种可能的技术，获得更多 的指令级并行性。
硬件＋软件技术 必须要硬件技术和软件技术互相配合，才能够最大 限度地挖掘出程序中存在的指令级并行。
4.1 指令级并行
1. 流水线处理机的实际CPI ➢ 理想流水线的CPI加上各类停顿的时钟周期数：
4.2 指令的动态调度
ห้องสมุดไป่ตู้➢ 静态调度
依靠编译器对代码进行静态调度，以减少相关和冲突。 它不是在程序执行的过程中、而是在编译期间进行代码
调度和优化。 通过把相关的指令拉开距离来减少可能产生的停顿。
➢ 动态调度
在程序的执行过程中，依靠专门硬件对代码进行调度， 减少数据相关导致的停顿。
4.2 指令的动态调度
执行顺序。
必须保持程序顺序
4.1 指令级并行
1. 控制相关并不是一个必须严格保持的关键属性。 2. 对于正确地执行程序来说，必须保持的最关键的两个
属性是：数据流和异常行为。 ➢ 保持异常行为是指：无论怎么改变指令的执行顺 序，都不能改变程序中异常的发生情况。
F6, F8, F14
存在输出相关
Tomasulo算法可以通过使用寄存器重命名来消除。
4.2 指令的动态调度
1. 动态调度的流水线支持多条指令同时处于执行当中。 ➢ 要求：具有多个功能部件、或者流水功能部件、 或者兼而有之。 ➢ 我们假设具有多个功能部件。
(out of order execution)
IS
RO
检测结构冲突 检测数据冲突
4.2 指令的动态调度
1. 在前述5段流水线中，是不会发生WAR冲突和WAW冲突 的。但乱序执行就使得它们可能发生了。
➢ 例如，考虑下面的代码
存在反相关
DIV.D SUB.D ADD.D
F10, F0, F2 F10, F4, F6
4.1 指令级并行
1. 循环级并行：使一个循环中的不同循环体并行执行。 ➢ 开发循环体中存在的并行性
最常见、最基本
➢ 是指令级并行研究的重点之一 ➢ 例如，考虑下述语句：
for （i=1； i<=500； i=i＋1） a[i]=a[i]＋s； 每一次循环都可以与其他的循环重叠并行执行； 在每一次循环的内部，却没有任何的并行性。
第4章 指令级并行
4.1 指令级并行的概念 4.2 指令的动态调度 4.3 动态分支预测技术 4.4 多指令流出技术 4.5 循环展开和指令调度
4.1 指令级并行
4.1.1 指令级并行的概念
➢ 几乎所有的处理机都利用流水线来使指令重叠并 行执行，以达到提高性能的目的。这种指令之间 存在的潜在并行性称为指令级并行。
4.1 指令级并行
1. 最基本的开发循环级并行的技术 ➢ 循环展开（loop unrolling）技术 ➢ 采用向量指令和向量数据表示
2. 相关与流水线冲突 ➢ 相关有三种类型：
数据相关、名相关、控制相关
➢ 流水线冲突是指对于具体的流水线来说，由于相关 的存在，使得指令流中的下一条指令不能在指定的 时钟周期执行。
➢ 数据流：指数据值从其产生者指令到其消费者指 令的实际流动。
分支指令使得数据流具有动态性，因为它使得给定 指令的数据可以有多个来源。
仅仅保持数据相关性是不够的，只有再加上保持控 制顺序，才能够保持程序顺序。
4.1 指令级并行
举例： DADDU
R1，R2，R3
BEQZ R4，L1
DSUBU R1，R5，R6
L1 ：…
OR
R7，R1，R8
➢ 有时，不遵守控制相关既不影响异常行为，也不 改变数据流。
可以大胆地进行指令调度，把失败分支中的指令调 度到分支指令之前。
4.1 指令级并行
举例： DADDU BEQZ DSUBU DADDU
Skipnext：OR
R1，R2，R3 R12，Skipnext R4，R5，R6 R5，R4，R9 R7，R8，R9
CPI流水线 = CPI理想 + 停顿结构冲突 + 停顿数据冲突 + 停顿控制冲突
➢ 理想CPI是衡量流水线最高性能的一个指标。 ➢ IPC：Instructions Per Cycle
（每个时钟周期完成的指令条数）
1. 基本程序块 ➢ 基本程序块：一段除了入口和出口以外不包含其 他分支的线性代码段。 ➢ 程序平均每5～7条指令就会有一个分支。
检测结构冲突 检测数据冲突 一旦一条指令受阻，其后的指令都将停顿。 解决办法： 允许乱序执行
4.2 指令的动态调度
1. 为了允许乱序执行，我们将5段流水线的译码阶段再 分为两个阶段：
➢ 流出（Issue，IS）：指令译码，检查是否存在 结构冲突。 （in-order issue)
➢ 读操作数（Read Operands，RO）：等待数据冲 突消失，然后读操作数。
流水线冲突有三种类型：结构冲突、数据冲突、控制冲突
4.1 指令级并行
➢ 相关是程序固有的一种属性，它反映了程序中指 令之间的相互依赖关系。
➢ 具体的一次相关是否会导致实际冲突的发生以及 该冲突会带来多长的停顿，则是流水线的属性。
1. 可以从两个方面来解决相关问题： ➢ 保持相关，但避免发生冲突。
指令调度
即原来程序中是怎么发生的，改变执行顺序后还是 怎么发生。
弱化为：指令执行顺序的改变不能导致程序中发生 新的异常。
➢ 如果我们能做到保持程序的数据相关和控制相关， 就能保持程序的数据流和异常行为。
4.1 指令级并行
举例说明 DADDU
R2，R3，R4
BEQZ
R2，L1
LW
R1，0（R2）
L1 ：
优点： 能够处理一些在编译时情况不明的相关（比如涉 及到存储器访问的相关），并简化了编译器； 能够使本来是面向某一流水线优化编译的代码在 其他的流水线（动态调度）上也能高效地执行。
以硬件复杂性的显著增加为代价
4.2 指令的动态调度
4.2.1 动态调度的基本思想
到目前为止我们所使用流水线的最大的局限性:
➢ 指令必须按序流出和执行
➢ 考虑下面一段代码：
DIV.D
F4，F0，F2
SUB.D
F10，F4，F6
ADD.D
F12，F6，F14
SUB.D指令与DIV.D指令关于F4相关，导致
流水线停顿。
ADD.D指令与流水线中的任何指令都没有关
系，但也因此受阻。
4.2 指令的动态调度
在前面的基本流水线中：
ID
（ILP：Instruction-Level Parallelism）
➢ 本章研究：如何通过各种可能的技术，获得更多 的指令级并行性。
硬件＋软件技术 必须要硬件技术和软件技术互相配合，才能够最大 限度地挖掘出程序中存在的指令级并行。
4.1 指令级并行
1. 流水线处理机的实际CPI ➢ 理想流水线的CPI加上各类停顿的时钟周期数：
4.2 指令的动态调度
ห้องสมุดไป่ตู้➢ 静态调度
依靠编译器对代码进行静态调度，以减少相关和冲突。 它不是在程序执行的过程中、而是在编译期间进行代码
调度和优化。 通过把相关的指令拉开距离来减少可能产生的停顿。
➢ 动态调度
在程序的执行过程中，依靠专门硬件对代码进行调度， 减少数据相关导致的停顿。
4.2 指令的动态调度