10-3 超标量、超级流水线和超长指令字计算机(郑宏)

ID
EX
WR
IF
ID
EX
WR
IF
ID
EX
WR
IF
ID
EX
WR
IF
ID
EX
WR
有三条4级的流水线，每时钟周期发射3条指令
超标量处理机
超标量处理机内部往往具有多个执行部件，其个 数可能多于每个周期发射的指令条数。
超标量处理机实际上是以增加硬件资源为代价来 换取处理机性能的，即以空间换取了时间。
目前，在多数超标量处理机中，每个时钟周期发 射两条指令，通常不超过四条。
超标量、超流水线、超长指令字 处理机
主要内容
超标量处理机 超流水线处理机 超长指令字处理机
单发射和多发射
百度文库单发射
– 在一个时钟周期内只从存储器中取出一条指令（IF）， 并且只对一条指令进行译码（ID），只执行一条指令（ EX），只写回一个运算结果（WR）。
指令k 指令k+1 指令k+2
IF ID EX WR IF ID EX WR IF ID EX WR
1
2
3
4
5
6
I1 IF
ID EX WR
时钟周期
I2
IF ID EX WR
超流水线处理机侧重
I3
IF ID EX WR
开发时间并行性，在
I4
IF ID EX WR
公共硬件上采用较短
I5
IF ID EX WR
的时钟周期，深度流
I6
IF
ID EX WR
水来提高速度。
指令 将每一级流水线分成三个子流水线，
每个时钟周期分时发送3条指令的超流水线
单发射时空图
• 单发射处理机在指令一级通 常采用流水线结构；
• 单发射处理机的设计目标是 每个时钟周期平均执行一条 机器指令；但由于转移和数 据相关的问题，还有其它的 资源冲突，使得实际上达不 到这一目标。
单发射和多发射
多发射
– 在一个时钟周期中发出多条指令。 – 常见的多发射处理机有：
✓ 超标量处理机 ✓ 超流水线处理机 ✓ 超长指令字（ VLIW ）处理机。
超长指令字处理机
特点：
– 指令字长很长，可达数百位；
– 有多个功能部件并发工作；
– 用一条长指令来实现多个操作的并行执行；
1
I1
IF
I2
I3
2
3
4
5
ID
EX
WR
时钟周期
EX
EX
IF
ID
EX
WR
EX
EX
IF
ID
EX
WR
EX
EX
指令
超长指令字处理机流水线时空图
由于存在有数据相关和条件转移等问题，采用一 般的指令调度技术，理论上的最佳情况是每个时 钟周期发射3条指令。
超流水线处理机
特点：
– 在一个基本时钟周期内能够分时发射多条指令
– 超流水线处理机把每一级流水线再细分成多个时间段， 每一个小时间段取出一条指令，这样同样在一个时钟周 期内，可以有多条指令进入流水线。
超标量处理机
特点：
– 有两条或两条以上能够同时工作的指令流水线；
– 一个时钟周期内能够同时发射多条指令。
1
I1
IF
I2
IF
I3
IF
I4
I5
I6
I7
I8
I9
I10
I11
I12 指令
2
3
4
5
ID
EX
WR
时钟周期
ID
EX
WR
ID
EX
WR
IF
ID
EX
WR
IF
ID
EX
WR
IF
ID
EX
WR
IF
ID
EX
WR
IF