计算机体系结构之流水线工作原理与分类
计算机系统结构第3章流水线技术
流水线调度
根据指令的依赖关系和资源可用性，动态调 度指令到不同的流水线阶段。
GPU设计中的流水线技术
线程级并行
通过划分线程块和线程束，实现线程级并行执行。
数据级并行
将数据划分为多个块，每个块在GPU的多个处理单元上并行处理。
指令级并行
通过指令调度和分支预测，实现指令级并行执行。
硬件资源共享
01
硬件资源共享是指流水线中的多个操作共享相同的硬件资源， 如寄存器、缓冲区等。
02
硬件资源共享能够提高资源利用率，减少硬件开销，降低成本。
需要注意的是，硬件资源。
流水线的性能指标
01
吞吐量
流水线每单位时间内完成的操作数 或任务数。
流水线调度
根据子任务的依赖关系和资源需求，动态调 度子任务到不同的计算节点。
THANKS
感谢观看
将执行结果写回寄 存器或内存。
02
流水线的工作原理
数据流驱动
1
数据流驱动是指流水线中的操作按照数据流动的 方向依次执行，每个操作在完成前需要等待前一 个操作的结果。
2
数据流驱动的优点是能够充分利用数据依赖关系， 减少等待时间，提高流水线的吞吐量。
3
需要注意的是，数据流驱动需要精确控制数据流 动的顺序，以避免出现数据相关和冒险问题。
调试和维护困难
由于流水线中各个阶段是并行处 理的，调试和维护可能会比串行 系统更加困难。
05
流水线技术的应用
CPU设计中的流水线技术
指令划分
将指令划分为多个阶段，每个阶段对应一个 功能单元，从而并行执行多个指令。
数据路径设计
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
流水线实验报告
流水线实验报告一、实验目的本次实验旨在探究流水线技术在计算机体系结构中的应用，并了解流水线的工作原理与效果。
通过对流水线的实验，掌握流水线操作的过程和相关概念，并通过实践了解其对计算机性能的提升作用。
二、实验器材与软件环境实验使用的器材为一台配有Intel Core i7处理器的计算机。
软件环境为Windows 10操作系统，使用C语言编译器进行代码编写和实验运行。
三、实验内容1. 流水线概述流水线是一种用于提高计算机处理器效率的技术。
它将任务划分为多个阶段，使得每个阶段都能并行地处理不同的任务。
通过将多个任务拆分并在不同的阶段同时进行，可以显著提高计算机处理速度。
2. 流水线原理流水线工作原理如下：1) 将任务划分为多个子任务，并在不同的阶段上并行执行。
2) 每个阶段的任务之间通过专门的寄存器传递数据。
3) 每个阶段的任务完成后，将结果写入寄存器，供下一个阶段使用。
4) 流水线的效果取决于各个阶段的任务执行时间，如果存在某个阶段的任务耗时较长，则可能导致整个流水线效率下降。
3. 流水线的实现实验中我们使用C语言编写一段简单的代码来模拟流水线的实现过程。
我们通过将输入的整数加1后输出，来模拟流水线的工作状态。
cinclude <stdio.h>int main() {int input[5] = {1, 2, 3, 4, 5};int output[5];int i;for (i = 0; i < 5; i++) {output[i] = input[i] + 1;}for (i = 0; i < 5; i++) {printf("%d\n", output[i]);}return 0;}上述代码将输入数组中的每个元素加1后，输出到屏幕上。
在这个过程中，我们可以将输入和输出视为流水线中的阶段，每个阶段都有固定的任务。
4. 实验结果与分析在实验中，我们输入数组为{1, 2, 3, 4, 5}，运行结果如下：23456可以看到，实验结果符合我们的预期，每个输入元素都成功地加1后输出。
计算机体系结构——流水线技术（Pipelining）
单功能流水线：流水线只完成一种固定功能 多功能流水线：流水线可以完成多种功能，如 TI公司的ASC机，8段流水线，能够实现：定点加减 法、定点乘法、浮点加法等功能 3.按同一时间内各段之间的连接方式分 静态多功能流水线 ：同一时间内，多功能结构只能按一种功能的连接方式工作。 动态多功能流水线：在同一时间内，可以有多种功能的连接方式同时工作 4.按处理的数据类型 标量流水线 向量流水线 5.按控制方式 同步流水线 异步流水线：当Si功能段要向Si+1段传送数据时，首 先发出就绪信号，Si+1功能段收到信号后，向Si回送 一个回答信号。 6.按任务从输出端的流出顺序 顺序流水方式：指令流出顺序 = 指令流入顺序 乱序流水方式：指令流出顺序 ！= 指令流入顺序 7. 线性流水线——不带反馈回路的流水线
三、流水线的分类（了解）
四、流水线相关及冲突（重点） 1.流水线相关 2.流水线冲突 3.流水线冲突带来问题 4.数据冲突及其解决方案 5.结构冲突及其解决方案 6.控制冲突及其解决方案
五、流水线性能分析(含例题讲解) 1.流水线的基本参数——吞吐率 2.流水线的基本参数——加速比 3.流水线的基本参数——效率 4.结果分析 5.有关流水线性能的若干问题
整体评估、反馈、再改进
3. 指令周期
单周期处理机模型：一个周期完成一个指令（每个周期是等长的），指令长度可能不一样，会造成很大的浪费 多周期处理机模型：将一个指令的完成划分成若干个周期来实现 流水线模型
二、流水线技术 1. 什么是流水线？ 计算机中的流水线是把一个重复的过程分解为若干个子过程，每个子过程与其他子过程并行进行。由于这种工作方式与工厂中的生产 流水线十分相似， 因此称为流水线技术 从本质上讲，流水线技术是一种时间并行技术。
6计算机组成原理第6章流水线原理
结果
6.1 先行控制技术
• 先行控制（look-ahead）技术最早在IBM公司研制的 STRETCH机器中采用。目前，许多处理机中都已经采 用了这种技术，包括超流水处理机和超标量处理机等。
6.4 线性流水线性能分析
衡量流水线的主要指标有吞吐率，加速比和效率。
6.4.1 吞吐率TP
吞吐率（TP ── ThroughPut）指流水线在单位时间内执行的任务数， 可以用输入任务数或输出任务数表示。
TP n Tk
其中k表示流水线划分的段数。
当满足 ti 条t 件时，有 Tk (n k 1) t。
第6章 流水线原理及其 §1 重叠方式
通常提高指令执行速度的途径有如下三种： 1. 提高处理机的工作主频。 2. 采用更好的算法和设计更好的功能部件。 3. 多条指令并行执行，称为指令级并行技术。
• 可以从两个方面来开发处理机内部的并行性：
– 空间并行性：即在一个处理机内设置多个独 立的操作部件，并让这些操作部件并行工作， 这种处理机称为多操作部件处理机或超标量 处理机;
• 超长指令字技术VLIW：指让一条指令包含多个独立的操 作字段，并且分别控制多个功能部件并行工作的技术。
一．重叠解释方式
1.一条指令的几个过程段
1）取指令：根据PC（指令计数器）从M（存储器）取 出指令送到IR（指令寄存器）
2）译码分析：译出指令的操作性质，准备好所需数 据
3）执行：将准备好的数按译出性质进行处理，主要 涉及ALU（算术逻辑运算部件）
计算机组成原理流水线设计基础知识全面解析
计算机组成原理流水线设计基础知识全面解析计算机组成原理是计算机科学与技术的基础课程之一，而流水线设计则是其中的重要内容之一。
本文将全面解析计算机组成原理流水线设计的基础知识，介绍其工作原理、优势、流水线冲突及解决方法等内容。
一、工作原理计算机组成原理中，流水线设计是通过将指令的执行过程划分为多个阶段，并将这些阶段在不同的处理单元上并行执行的方式，从而提高指令的执行效率。
流水线设计主要包含以下几个阶段：1. 取指令阶段（IF）：从内存中读取指令并将其送至指令译码器。
2. 指令译码阶段（ID）：对指令进行解码，判断其类型，并提取相关寄存器的值。
3. 执行阶段（EX）：根据指令的类型，对操作数进行计算，并将结果保存至寄存器中。
4. 访存阶段（MEM）：如果指令需要访问内存，则进行内存读取或写入操作。
5. 写回阶段（WB）：将计算结果写回到寄存器中。
通过将指令的执行划分为多个阶段，并使用多个处理单元并行执行，流水线设计可以大大提高指令的执行效率，加快程序的运行速度。
二、优势流水线设计具有以下几个优势：1. 并行处理：通过将指令的执行划分为多个阶段，并使用多个处理单元并行执行，可以加快指令的执行速度。
2. 提高资源利用率：由于每个处理单元都可以执行不同的指令阶段，因此可以充分利用硬件资源，提高整体的资源利用率。
3. 灵活性：不同的指令可以使用不同的处理单元进行执行，在保持高效率的同时，增加了系统的灵活性，可以执行更多的指令类型。
然而，除了以上的优势外，流水线设计也存在一些问题，即流水线冲突。
三、流水线冲突及解决方法1. 结构冲突：当多个指令需要使用同一硬件资源时，会发生结构冲突。
例如，同时对存储器进行读取和写入操作。
解决方法：通过增加硬件资源的数量或调整指令的执行顺序，可以避免结构冲突的发生。
2. 数据冲突：当后续指令需要使用前一条指令的运算结果时，会发生数据冲突。
例如，一条指令的结果被另一条指令使用。
解决方法：可以通过插入空闲周期或使用旁路机制，将结果传递给后续指令，从而解决数据冲突。
第3章流水线技术
第2章流水线技术流水线是计算机体系结构设计中普遍应用的技术。
本章介绍流水线的基本概念、表示方法、和分类，讨论流水线实现的基本结构、线性流水线的性能与非线性流水线的调度策略，分析流水线的相关及其处理方法。
2.1 流水线的基本概念2.1.1 多条指令的执行方式一条指令的执行过程可以分为多个阶段，通常分为三个阶段，执行过程如图2-1所示。
第一阶段是取指令，按照程序计数器的内容访问主存储器，取出是一条指令送到指令寄存器。
第二阶段是分析指令，对指令寄存器中的指令进行译码分析，即对指令操作码进行译码，分析指令的功能，依据给定的寻址方式和地址码字段的内容形成操作数地址，并读取操作数（立即数寻址除外）；同时，程序计数器自动产生一个增量，指到下一条指令。
第三阶段是执行指令，根据操作码的要求，对操作数进行运算和处理，完成指令规定的功能，并把运算结果送到指定的地址中。
指令执行过程中的第一阶段，一定要访问主存（指令一定在主存中），而在后两个阶段，也可能要访问主存（当操作数在主存中时）。
当有多条指令要在一个处理机中完成时，可以有多种执行方式。
现假设3个阶段所需要的时间均为△t 。
2.1.1.1 顺序执行方式顺序执行方式是指在任何时刻，处理机中只有一条指令在执行，指令之间是顺序串行执行的，即第k条指令执行完成后，再执行完成第k+1条指令，依次类推。
多条指令执行过程如图2-2（a）所示，执行n条指令所需要的时间为T = 3n△t。
顺序执行方式的优点是控制简单，节省设备。
主要缺点有两个，一是处理机执行指令的速度慢。
只有当上一条指令执行完毕后，下一条指令才能开始执行。
二是功能部件的利用率低。
如取指令时主存是忙碌的，而指令执行部件是空闲的。
2.1.1.2 一次重叠执行方式一次重叠执行方式是指在任何时刻，处理机中至多只有两条指令在同时执行，即使第k 条指令的执行阶段与第k+1条指令的取指令同时进行。
多条指令执行过程如图2-2（b）所示，执行n条指令所需要的时间为T = (2n+1)△t。
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IFetch Dcd Exec Mem WB
IFetch Dcd Exec Mem WB
程序流
IFetch Dcd Exec Mem WB IFetch Dcd Exec Mem WB
为什么采用流水线呢? 因为有资源空闲!
时间 (时钟周期)
ALU ALU ALU ALU ALU
指
令 Inst
顺
序 Inst
• 从指令存储器中获取指令
°Reg /Dec: 获取寄存器，指令译码 °Exec: 计算内存地址 °Mem : 从数据存储器中读数据 °Wr : 向寄存器文件写回数据
Pipelining
通过增加指令的执行阶段增强性能
程序 执行
° 顺序
T im e
2
4
6
8
10
12
14
16
18
lw $ 1, 10 0($0)
In s tru ctio n R eg
fe tch
ALU
lw $ 2, 20 0($0)
8 ns
lw $ 3, 30 0($0)
D a ta access
R eg
In s tru c tio n R eg
fe tch
ALU
8 ns
D ata ac c e ss
R eg
In s tru ctio n fe tch
32
Sign
e xtend
Sh if t left 2
Add Add res ult
• 10ns /cycle x (1 CPI x 100inst + 4 cycle drain) = 1040ns
Load指令的五个阶段
Cycle 1 Cycle 2 Cycle 3 Cycle 4 Cycle 5
Load Ifetch Reg /Dec Exec Mem Wr
°Ifetch : 获取指令
°还要花费 30 分钟的时间
将衣物放在衣柜里
ABCD
顺序操作
6 下午 7
8
9
10
11
12
1 2 上午
30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30
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?
...
8 ns
P rogram exec ution ord er
T im e
2
4
6
8
10
12
14
(in in struc tio ns) lw $1, 1 00 ($ 0)
In s tru c tion fe tch
Reg
ALU
D a ta access
R eg
lw $2, 2 00 ($ 0)
2 ns
°多个任务同时操作需要不同 的资源
°可能的加速比 = 流水线的段数
°流水线的速率受速度最慢 的流水段的限制
°流水线各段长度不均会降低 加速比
°充满流水线所需的时间和 排空流水线所需的时间影响 加速比
°会由于依赖而造成阻塞
传统的流水线执行表示
时间轴
IFetch Dcd Exec Mem WB
IFetch Dcd Exec Mem WB
Add 4
PC
A dd re ss
In stru ctio n
In struction m em ory
R ead
re gis ter 1
Re ad
R ead
data 1
re gis ter 2
R eg iste rs Re ad
W rite
data 2
re gis ter
W rite d ata
16
为什么使用流水线?
°设想我们要执行 100 条指令 °单周期的机器
• 45ns /cycle x 1 CPI x 100inst = 4500ns
°多周期的机器
• 10ns/cycle x 4.2 CPI (due to inst mix) x 100inst = 4200 ns
°理想的流水线机器
0 Im 1
Reg
Dm Reg
Im Reg
Dm Reg
Inst 2 Inst 3
Inst 4
Im Reg
Dm Reg
Im Reg
Dm Reg
Im Reg
Dm Reg
单时钟周期, 多时钟周期,同流水线比较.
Cycle 1 Clk
单时钟周期的实现:
Load
Cycle 2
Store
Waste
Cycle 1 Cycle 2 Cycle 3 Cycle 4 Cycle 5 Cycle 6 Cycle 7 Cycle 8 Cycle 9 Cycle 10 Clk
多时钟周期的实现: Load Ifetch Reg Exec
Mem
Store Wr Ifetch Reg
Exec
Mem
R-type Ifetch
流水线的实现: Load Ifetch Reg Exec Mem Wr
Store Ifetch Reg Exec Mem Wr R-type Ifetch Reg Exec Mem Wr
基本思想
IF : In s tru c tio n fe tc h
0 M u x 1
ID : In s tru c tio n d e co d e / r e g is te r file re a d
E X : E xe cute/ a d d re ss c a lc u la tio n
M E M : M e m ory a cc e ss W B : W rite ba ck
计算机体系结构之流水线工作原理与分类
路漫漫其悠远
少壮不努力，老大徒悲伤
流水线技术
流水线技术 相关性分析技术 超标量处理机 超流水线处理机 超标量超流水线处理机
流水线是很自然的!
°洗衣店的例子 °A, B, C, D
均有一些衣务要清洗，甩干，折叠
°清洗要花 30 分钟
°甩干要用 30 分钟
°叠衣物也需要 30 分钟
流水线作业
6 下午 7
8
9
10
11
12
任
30 30 30 30 30 30 30
务A 顺 序B
C
D
时间
1 2 上午
°流水线作业洗4个人的衣物只需要 3.5 个小时!
流水线
6 下午 7
8
9
任
时间
务
30 30 30 30 30 30 30
顺A 序
B
C
D
°流水线无法帮助解决单个任务 的延迟, 有利于减少整个工作 全部时间
In s tru c tio n fe tc h
Reg
ALU
D a ta access
Reg
lw $3, 3 00 ($ 0)
2 ns
In s tru c tio n 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?