非线性流水线学习
流水线技术概述
流⽔线技术概述本⽂是对流⽔线技术地基本概念、冒险处理、硬件实现的基本概述。
⾸先我们介绍流⽔线的⼯作原理、组成要求、分类和性能指标，接下来讨论流⽔线的冒险处理，最后我们以MIPS为例，介绍流⽔线数据通路和控制器的实现。
⽬录1. 流⽔线概念针对串⾏执⾏过程中的冗余和瓶颈，我们提出，可以将指令执⾏过程划分为多个阶段，各个阶段可以同时处理操作，这样，每条指令按序通过各段，不同指令的执⾏过程重叠，得到的就是流⽔线。
流⽔线由多个功能段按序组成。
例如，在RISC中，通常包括IF,ID,EX,MEM,WB五个功能段，⽽在CISC中，通常包括IF,ID,OF,EX,WB五个功能段。
理想状况下，流⽔线可以对程序执⾏起到显著的加速作⽤。
例如，有n条指令在m段流⽔线上执⾏，串⾏执⾏的时间为mnt，⽽采⽤流⽔线后，其执⾏时间为(m+n-1)t。
流⽔线在组成上，有三个基本要求。
第⼀，各个段的操作要相互独⽴、相互分离。
因此，每个段的源数据必须来⾃时序部件，结果也要存到时序部件。
实现上，我们设置段间寄存器，其中保存本段的所有后续段需要的本段的数据、地址、命令等。
第⼆，各个流⽔段的操作要同步执⾏。
实现上，我们会设置公共拍时钟，使得段间寄存器被同时写⼊。
拍时钟的周期需要取为各个段长的最⼤值。
第三，各个流⽔段的操作必须⽆冲突，以保证结果正确。
具体⽽⾔，就是消除冒险。
实现上，通过增设部件和控制器，来消除各种冒险。
流⽔线可以按其属性进⾏多种分类。
按处理的级别，可以分为操作级流⽔线、指令级流⽔线、处理机级流⽔线。
按功能，可以分为单功能和多功能流⽔线。
多功能流⽔线的各流⽔段可以进⾏不同的连接，从⽽完成不同的功能。
按⼯作⽅式，可以分为静态流⽔线和动态流⽔线。
静态流⽔线在进⾏功能切换时，必须排空。
显然，动态流⽔线⼀定是多功能流⽔线。
按结构，可以分为线性流⽔线和⾮线性流⽔线。
所谓⾮线性流⽔线，就是其中有部件的复⽤。
按流⼊流出的次序，可以分为顺序流⽔线和乱序流⽔线。
计算机体系结构-第二讲 流水线基础
任 务 顺 序
B C D A
时间
30 30 30 30 30 30 30
Computer Architecture, Autumn 2010
传统的流水线执行表示
时间轴 IFetch Dcd Exec Mem Exec WB Mem Exec WB Mem Exec WB Mem Exec WB Mem Exec WB Mem WB
°还要花费 30 分钟的时间
将衣物放在衣柜里
Computer Architecture, Autumn 2010
顺序操作
6 下午 30 30 7 30 30 8 30 30 9 30 30 10 30 30 11 30 30 12 30 30 1 2 上午
30 30
任 务 顺 序
时间
A B C D
Z e ro A LU 0 M u x 1 W r ite dat a ALU re s u lt A d d re ss D a ta m e m o ry R e ad d a ta 1 M u x 0
16 Si g n e x te n d
32
° 我们要将数据通路分割成不同的阶段，需要增加些什么?
R eg
ALU
D a ta acce s s
R eg
lw $ 3 , 3 0 0 ( $ 0 )
In s tru c tio n
2 ns
fe tc h
Reg
ALU
D a ta a cc es s
R eg
2 ns
2 ns
2 ns
2 ns
2 ns
理想的加速比是流水线的段数. 我们能够获得这个加速比吗? 理想的加速比是流水线的段数. 我们能够获得这个加速比吗?
计算机体系结构之流水线工作原理与分类
不增加或只增加少量硬件就能使运算速度提高几倍， 如：流水线处理机、超流水线处理机
流水线工作原理
流水线的分类
线性流水线的性能分析
非线性流水线的调度技术
流水线工作原理
1、流水线锁存器 流水线的每一个阶段称为流水步、流水步骤、流水段、 流水 线阶段、流水功能段、功能段、流水级、流水节拍等。
在每一个流水段的末尾或开头必须设置一个(多个)寄存器，
称为
流水寄存器、流水锁存器、流水闸门寄存器等。
流水锁存器会增加每条指令的执行时间，但采用流水线之
后整个程序的执行时间会缩短。
为了简化，在一般流水线中不画出流水锁存器。
输入
指令分析器 分析 k+1
流水 锁存器
△t1
指令执行部件 执行 k
流水 锁存器
Latency & throughput?
流水线技术
流水线技术在50年代后期被应用于处理器设计 IBM Stretch----first general-purpose pipelined
computer CDC 6600 use load/store design to achieve efficient
任
时间
务A
顺 序B
C
D
°
洗4 个人的衣物，顺序操作需要 8 个小时
°
如果使用流水线作业, 将需要多少时间呢?
流水线作业
6 下午 7
8
9
10
11
12
时间
任
30 30 30 30 30 30 30
务A
顺
序
B
C
D
非线性系统知识点总结
非线性系统知识点总结一、引言随着科学技术的发展，非线性系统在各个领域中扮演着愈发重要的角色，例如控制工程、经济学、生物学、化学等。
非线性系统的特点是其响应与输入之间不满足线性叠加原理，因此其动力学行为十分复杂。
在探究非线性系统的特性和行为规律中，需要深入研究和掌握一系列知识点。
本文将以非线性系统为基础，对其相关知识点进行总结和梳理，以期为相关研究提供一定的指导方向。
二、非线性系统的基本概念1. 线性系统与非线性系统在探究非线性系统之前，首先需要了解线性系统与非线性系统的区别与联系。
线性系统具有叠加性质，即输入信号的线性组合对应于输出信号的线性组合。
而非线性系统则不满足该叠加性质。
从数学上来说，线性系统的方程能够表示为一阶线性微分方程，即具有线性的数学形式，而非线性系统的方程则是包含非线性项的微分方程。
2. 非线性系统的特点非线性系统具有复杂的行为特性，其主要特点包括：不可分解性、不确定性、多稳态性、随机性等。
非线性系统在实际应用中往往表现出多样化的动力学行为，对于系统的建模和分析提出了更高的要求。
三、非线性系统的数学描述1. 非线性方程非线性系统的数学描述通常采用非线性微分方程来进行表达。
非线性微分方程一般具有如下形式：\[ \frac{dx}{dt} = f(x(t), t) \]其中 \( x(t) \) 表示系统的状态变量，\( t \) 表示时间，\( f(x(t), t) \) 表示系统的非线性函数。
非线性微分方程的求解往往需要借助于数值方法，例如Euler法、Runge-Kutta法等。
2. 非线性系统的相空间描述相空间描述是研究非线性系统动力学行为的重要方法之一。
通过将系统的状态变量表示为相空间中的点，可以直观地展现系统的动态特性。
非线性系统的相空间可能包括多个稳态点、极限环、混沌吸引子等复杂结构。
3. 非线性系统的周期轨道对于某些非线性系统，其动力学行为可能出现周期轨道。
周期轨道是指系统状态在相空间中呈现周期性变化的轨迹，通常通过极限环的存在来描述。
流水线实践活动心得体会(优秀19篇)
流水线实践活动心得体会（优秀19篇）（经典版）编制人：__________________审核人：__________________审批人：__________________编制单位：__________________编制时间：____年____月____日序言下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。
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吉林大学计算机系统结构题库第三章
第三章流水线技术知识点汇总先行控制、流水线、单功能流水线、多功能流水线、静态流水线、动态流水线、部件级流水线、处理机级流水线、处理机间流水线、线性流水线、非线性流水线、顺序流水线、乱序流水线、时空图、流水线性能评价（吞吐率、加速比、效率）、解决流水线瓶颈问题方法、相关（数据相关、名相关、控制相关）、换名技术、流水线冲突（结构冲突、数据冲突、控制冲突）、流水线互锁机制、定向技术、指令调度、预测分支失败、预测分支成功、延迟分支（从前调度、从失败处调度、从成功处调度）、流水寄存器、3种向量处理方式（横向、纵向、纵横）、链接技术。
简答题1.流水技术有哪些特点？（答出4个即可）（知识点：流水线）答：1.将处理过程分解为若干子过程，由专门的功能部件来实现，2各段的时间尽可能相等，3各部件间都有一个缓冲寄存器，4适用于大量重复的时序过程，5需要通过时间和排空时间。
2.什么是静态流水线？什么是动态流水线？（知识点：静态流水线、动态流水线）答：同一时间段内，多功能流水线中的各段只能按同一种功能的连接方式工作；同一时间段内，多功能流水线中的各段可以按照不同的方式连接同时执行多种功能。
3.什么是单功能流水线？什么是多功能流水线？（知识点：单功能流水线、多功能流水线）答：只能完成一种固定功能的流水线。
流水线的各段可以进行不同的连接，以实现不同的功能。
4.什么是线性流水线？什么是非线性流水线？（知识点：线性流水线、非线性流水线）答：流水线的各段串行连接，没有反馈回路。
流水线中除了有串行的连接外，还有反馈回路。
5.列举3种相关。
（知识点：相关）答：数据相关，名相关，控制相关。
6.流水线中有哪三种冲突？各是什么原因造成的？（知识点：流水线冲突）答：结构冲突，硬件资源满足不了指令重叠执行的要求；数据冲突，指令在流水线中重叠执行时需要用到前面指令的执行结果；控制冲突，流水线遇到分支指令和其他会改变PC值的指令。
7.选择至少2种解决流水线结构冲突的方法简述。
非线性系统的线性方法
非线性系统的线性方法
非线性系统表现出的动力学特性比线性系统要复杂，因此通常不能直接使用线性方法来分析或控制非线性系统。
然而，还有一些基于线性化的方法可以在一定程度上处理非线性系统，这些方法被称为线性方法。
其中最常用的线性方法包括：
1. 线性化方法：通过在某个工作点附近对非线性系统进行泰勒展开，得到一个线性模型，然后使用线性系统的理论和方法来分析和控制该线性模型。
这种方法适用于非线性系统在某个工作点附近的小扰动，且要求非线性系统在其他工作点上的行为与线性模型类似。
2. 线性误差反馈（LEF）方法：通过估计非线性系统与线性系统的误差，并利用误差来设计一个线性系统的反馈控制器。
该方法的关键是如何估计非线性系统与线性模型之间的误差，通常使用状态观测器或者误差动态模型来实现。
3. 线性拟合方法：通过在非线性系统的某个工作点上采集大量数据，并利用数据拟合技术（如最小二乘法）来得到一个线性模型。
然后使用线性系统的方法来分析和控制该线性模型。
这种方法适用于非线性系统在某个工作点附近的输入输出数据已知的情况。
需要注意的是，这些线性方法只是对非线性系统的一种简化处理，只能在一定程
度上解决非线性系统的分析和控制问题。
对于复杂的非线性系统，需要使用更加复杂和全面的非线性方法来分析和控制。
计算机体系结构第三章-3(非线性流水线)
非线性流水线的竞争与调度
2、最优调度
为了避免冲突，就要对指令送入流水线的时间进行控制， 这就是流水线的无冲突调度。（4个步骤）
1）根据预约表写出禁止向量
禁止向量F是一个流水线中所有禁止启动距离构成的集合。 为了找出所有的禁止启动距离，必须考察各段的复用情况。
1
S1 …
2
3
4
5
6
7
8
9
√
√
方法：S1在1，9两个时段中使用，从第1时段到第9时段的距 离差值为8Δt（9Δt – 1Δt = 8Δt），显然这是一个禁止启动 距离。
T1
s1 s2 √ √ √
T2
T3
T4
T5
T6
T7
√
s3
s4
√
√
√
(1) 写出禁止向量，初始冲突向量，画出流水线调度的状态转移图。 (2) 求出流水线最优调度策略和最大吞吐率。
(3) 求出按最优调度策略连续输10个任务，流水线的实际吞吐率、 加速比、效率？
3.5 流水线的实现
3.5 流水线的实现
同样，若选择间隔7拍输入第2条指令，则新冲突向量为：
C4 SHR(7) (C0 ) C0 (00000001 ) (10110001 ) (10110001 ) C0
例子中，C1，C2，C3 继续后续指令的冲突向量计算。反复上述步骤，直 到不再产生新的冲突向量为止。
非线性流水线的竞争与调度
1
2 √
3 √
4
5
6
7
8 √
9
S1
S2 S3
√
√
√
S4
S5
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关于非线性流水线启动算法及进展的学习1.非线性流水线简介
1.1.流水线处理
所谓流水线处理是指将一个大的计算任务分成若干个子任务，是每个子任务在一个专门的硬件站上执行，一个任务需顺序地经过流水线中多个站的处理才能完成。
因此，可使用流水线处理的计算任务必须可分，而且子任务处理时间越平均，流水线的效率越高。
1.2.流水线分类及区别
按照流水线中各硬件站之间是否有反馈回路，可将流水线分成线性流水线和非线性流水线两大类。
在线性流水线中，各硬件站串行连接，其特点是：从输入端开始，每一站只顺序使用一次，便可从输出流出一个结果。
非线性流水线除了串行连接的通路外，还有反馈回路，其结构比较复杂。
使用非线性流水线处理的任务的特点：从输入到输出的一次流水过程中并不是每个站顺序只使用一次，而是有的站可能使用多次。
要解决此问题就需要增加重复硬件站把非线性流水线做成线性流水线，或增加反馈回路，重复利用某一站。
线性流水线的调度比较简单，因为对各任务而言，每站只顺序使用一次，不会在某时刻出现两个任务争用一个硬件站的情况，只需每个时钟节拍输入一个任务即不会出现冲突问题。
然而在非线性流水线中，由于一个站可能被多次使用，如果仍按线性流水线输入方法就可能在某个时刻有两个或多个任务共同争用一个硬件站，即产生冲突，使流水线不能通畅。
所以在非线性流水线中就存在在什么时刻输入任务不会冲突的问题，也就是调度问题。
2.流水线调度问题
2.1.非线性流水线无冲突调度的目标
非线性流水线调度是找出平均允许启动距离最小的启动循环。
按照这样的启动循环向流水线的输入端输入任务．所有功能段在任何时刻都没有冲突，而且流水线的工作效率最高。
2.2.基本解决方法
目前有两种方法解决调度问题：
第一种是构造冲突向量，利用冲突向量生成状态图：在状态图中找一个平均等待时间最小的有圈子图，由有圈子图可生成调度序列。
第二种方法是通过插入时间延迟段改造流水线的时间关系，使得给定的恒定循环调度不会产生冲突，从而达到优化的目的。
3.几种常见的调度方法
3.1.不插入时间延迟段的恒定循环调度方案
基本思想是：找出一个最小时间间隔并按此时间间隔进行调度，使多个任务输入流水线，并在处理过程中不会出现它们争用某硬件站的情况。
表1.预约表
t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 S1 ××
S2 ××
S3 ××
S4 ×
如果Si行有两个相距d时钟周期站使用，则相距d时钟周期输入一个新任务一定会存在某个时刻争用Si的情况。
所以，我们可以构造一个禁止集合F。
如表一，S1的禁止时钟周期为6，S2禁止时钟周期为4，S3禁止时钟周期为1，S4无
禁止时钟周期，故禁止集合F={1,4,6}。
也就是说，任意两任务的间隔D不能属于F。
设输入第T（T>1）个任务，每个任务间隔为d时钟周期，那么(T-1)d,(T-2)d,(T-3)d……3d,2d,1d都不属于禁止集合F。
如表1，可求出d为5和7，取最小的5作为时间间隔不会产生冲突。
3.2.迭加原理生成状态图调度方案
虽然恒定等待时间调度方案简单，控制容易，但多数情况下恒定等待时间调度不能使流水线达到最高效率。
因而还需要寻求其它途径进行调度，使流水线的效率提高，这就是下面要讨论的非均匀调度。
经分析的，到底在哪个时刻输入新任务与当时流水线上各任务的推进情况有关。
因此，我们可以用禁止集合来表示冲突，集合中记录产生冲突的时间间隔，如表1，禁止集合F={1,4,6}，意思是：任务2可以在间隔时钟周期2,3,5输入。
假设，任务2间隔时钟周期2输入，即在t3时刻输入，那么t1，t2时刻是绝对不会冲突的，此时任务1的禁止集合可以减2忽略t1,t2时刻，增加t8,t9时刻的监视，t3为逻辑上的t1时刻，记任务1的禁止集合为f1={2,4},同样任务2的禁止集合f2={1,4,6}。
f1∪f2即为任务3等待输入时流水线里的禁止集合，f3=｛1，2，4，6｝，即任务3可以间隔时钟周期3,5输入。
在新的禁止集合的基础上，按同样的方法可以再生成后续禁止集合，此过程一直进行到没有不同新的禁止产生为止。
此时会形成以禁止集合为顶点，时钟间隔为边的状态转移图，且存在多条闭合回路，按任意条闭合回路调度流水线都不会产生冲突，只需选取一组平均间隔最小，效率最高的组合作为调度方案即可。
3.3.计算最小平均等待时间MAL，插入时间延迟段优化恒定循环时间达到下限
恒定等待时间调度方案简单，容易控制，但一般不能使流水线达到最大效率；有圈子图方案虽效率有所提高，但操作复杂，而且还有优化空间，所以提出两套方案结合的方案。
给定的恒定循环时间有个下限，最小平均等待时间MAL的下限是预约表任一行中格子内符号的最大个数。
该方案的目标就是以恒定等待时间启动且该恒定等待时间达到MAL下限。
具体步骤是先使用有圈子图方法求出MAL，若该MAL等于预约表任一行中格子内符号的最大个数，即已经达到下限，则不需要优化，否则使用插入时间延迟段方法优化MAL。
插入非计算延迟段D，使预约表中每一行任意符号之间的间隔都不为MAL下限及下限的倍数，构成新预约表。
这样就使得MAL等于预约表任一行中格子内符号的最大个数．即最优的MAL。
举例：
表2
根据有圈子图方案求的MAL=4，其中一个等待循环为（5，3），得时空运行表3：
表3
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 S1 #1 #2 #1 #3 #2 S2 #1 #1 #2 #3 #2
S3 #1 #1 #2 #2 #3
S4 #1 #2 #3 添加时间延迟段得新预约表4：
表4
1 2 3 4 5 6 7
S1 # # S2 # #
S3 # #
S4 #
D1 #
新预约表可以以优化后的MAL=2恒定时间循环启动，时空运行表5如下：
表5
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 S1 #1 #2 #3 #1 #2 #3 S2 #1 #2 #3 #1 #2 #3
S3 #1 #2 #1 #3 #2 #3
S4 #1 #2 #3
D1 #1 #2 #3。