第5章 重叠、流水和向量处理机

数据集 处理 机1
处理 机2
处理 机n
处理机间h 的流水处理
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• 从流水线的功能的多少来分，可分为单功能流 水线和多功能流水线（流水线具有的功能）
（1）单功能流水线只能实现单一功能的流水。
（2）多功能流水线指的是同一流水线的各个段 之间可以有多种不同的联接方式以实现多种不 同的运算或功能。
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5.2 流水方式
5.2.1 基本概念 1.流水是重叠的引申 • 流水是重叠的引申：把指令的解释过程分为
更多子过程；
入 取指令 指令译码 取操作数
执行 出
指令解释的流水处理
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空间
执行 取操作数
12345 12345
指令译码
12345
取指令 1 2 3 4 5
0
t1 t2 t3 t4 t5 t6
通用寄存器组数相关的处理方法：推后“分析 k+1”和设置“相关专用通路”，前面降低速度为代 价，后者增加硬件成本为代价。
设置“相关专用通路”是指第K条指令的运算结 果直接通有硬件专用通道回送到寄存器。
通用寄存器组基址值或变址值相关的处理：方法 同上类拟，只不推后分析的推后时间不同及设置 “相关专用通路”回写是到访存操作数地址形成机构。
第5章 重叠、流水和向量处理机
5.1 重叠方式 5.2 流水方式 5.3 向量的流水处理与向量流水处理机 5.4 指令级高度并行的超级处理机
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•本章重点：
流水的性能分析及时空图,相关处理、流 水线调度、向量指令流水的并行与链接。
•本章难点：
针对所要求的重叠关系，计算全部指令 完成的时间。根据题目要求画出功能静态流 水时空图，计算吞吐率、效率和加速比。单 功能非线性流水线的调度。向量指令间的并 行、链接、串行的判断及所需拍数的计算。
独立 的指令分析部件和指令执行部件； 以增加某些硬件为代价的。
（2）要解决因条件转移指令带来的重叠效率下降问题； 采取延迟转移技术。
（3）要解决“相关”问题。
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5.1.2 相关处理
1、基本概念 • “相关”：邻近指令之间出现关联，为了防出错
让它们不能同时解释的现象； • “数相关”：邻近两条指令的数据地址有了关联； • “指令相关”：采用机器指令可修改的方法在第K
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 分析k+2 执行k+2
重叠解释的一种方式（二次重叠）
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4、重叠方式对计算机组成的要求
解决主存冲突问题（在同一时刻同时访问第K条 指令的操作数和第K+1条指令的指令码）：一是把操 作数和指令分别存放在两个独立的存储器；二是采用 多体交叉主存系统；三是增设采用先进先出方式工作 的指令缓冲寄存器。
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5.1 重叠方式
5.1.1 基本思想和一次重叠 一条指令的执行过程可以分为多个阶段，如： 1. 取指 2. 分析 3. 执行 可以有多种处理方式：顺序执行、一次重叠、
二次重叠。
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1、顺序解释：各条指令之间顺序串行地进行；每条指 令内部的各个微操作也顺序串行地进行。
对一条机器 指令的解释
2、解释一条机器指令的微操作可归并成取指令，分析 和执行三个部份
（1）静态流水线在某一时间内各段只能按一种功能联 接流水，只有等流水线全部流空后，才能切换成按另 一种功能联接流水。
（2）动态流水线的各功能段在同一时间内可按不同运 算或功能联接。
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空间
浮点加法 定点乘法
输出
累加 尾数乘 规格化
1 2 3…n 1 2 3…n
1… 1 2… 1 2 3…
尾数加 对阶
1 输入
1 输入
1 输入
2 减阶
2 减阶
2
3 对阶移位 3 对阶移位 3
4 相加
4 相加
4
5 规格化
5 规格化 5
6 相乘
6
6 相乘
7 累加
7
7 累加
8 输出
8 输出
8 输出
（a）流水线的 功能段
（b）浮点加减法运 （c）定点乘法
算时的联接
时的联接
ASC机器运算器的流水线
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• 按多功能流水线的各段能否允许同时用于多种 不同功能联接流水，可把流水线分为静态流水 线和动态流水线
求阶差
1 2 3…n 1 2 3…n 1 2 3…n
时间 t7 t8
流水处理的时空图
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• 流水的最大吞吐率：指流水线满负荷每隔△t 流出一个结果时所达到的吞吐率；
• 流水的最大吞吐率是取决于子过程的经过时间 △t，△t越小，流水线的最大吞吐率就越高。
• 时钟信号周期不得低于速度最慢子部件的经过 时间与锁存器的存取时间之和；
• 子过程的细分会因锁存器数增多而增大任务或 指令流过流水线的时间，这在一定程度上会抵 消子过程细分使吞吐率提高的好处。
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2.流水线的分类
• 计算机系统在不同等级上的流水线（处理的级 别）
பைடு நூலகம்
（1）流水的向下扩展指的是把子过程进一步细分，让每个 子过程经过的时间都同等程度地减少，吞吐率就会进
一步提高；部件级流水线（操作流水线）。
（2）流水的向上扩展可理解为在多个处理机之间的流水。
系统级流水是指构成计算机系统的多个处理机之间的 流水，也称为宏流水。处理机级流水线, 又称为指令 流水线 (Instruction Pipelining)。
5、一次重叠：指令分析部件和指令执行部件任何时候 只有相邻两条指令在重叠解释的方法。
分析k
执行k 分析k+1
执行k+1 分析k+2
执行k+2
一次重叠工作方式
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“一次重叠”解释的优点: 省硬件,简化控制,指令的执行时间缩短,功能部件
的利用率明显提高。 （1）为了实现“执行 k”与 “分析k+1 ”，硬件还应有
• 执行n条指令所用的时间为：
n
t t t T ( 取指i令 分析 i执行 i）
i1
如果每段时间都为t，则执行n条指令所用的时 间为： T=3nt
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取指令k 分析k 执行k 取指令k+1 分析k+1 执行k+1
• 优点：控制简单，节省设备。
• 缺点：执行指令的速度慢，功能部件的利用率
很低。
3、指令的重叠：是在解释第K条指令的操作完成 之前，就可开始解释第K+1条指令。
条指令执行后才产生第K+1条指令的现象。即： 为了避免出错，第k、第k+1条指令就不能同时 解释。
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2、指令相关的处理：禁止指令修改，还可另设置一条 执行指令来解决程序设计灵活性。
3、主存空间数相关的处理：推后读 。
推后读是指若出现相邻两条指令之间出现对主存 同一单元要求先写后读的关联。
4、通用寄存器组相关的处理