CPU提速之指令流水线与超标量技术
流水线与超标量
• T=(3+2(N-1))t=(1+2N)t.
• 二次重叠执行的时间为 • T=(3+(N-1))t=(2+N)t.
• 指令重叠执行的效果：成倍提高CPI指标（t看作 时钟周期）
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•第2二.章1.2流水先线与行超标控量处制理机原理
现代计算机体系结构
• 引入流水线结构，目的在于消除CPU内部人为的 顺序（串行）操作瓶颈，提高速度指标。
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•第而二章对流于水线数与超据标量运处理算机 型指令，指令分析器要现代将计算它机体们系结变构 换成寄存器寄存器型(RR型)指令，即将内存单元
中的源操作数预先存到寄存器中，使指令能快速 执行。
• 指令分析器的操作逻辑：
• 1）如果源操作数为立即数寻址，数据直接放入 先行读数栈；
• 2）如果源操作数为对存贮器寻址：分析器计算
• 5）完成预处理后，指令成为RR*型指令，并被 送入先行操作栈，由运算控制器按次序执行。
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•第（二章3）流水先线与行超标读量处理数机栈
现代计算机体系结构
• 先行读数栈由一组缓冲寄存器和控制逻辑组成. 一个缓冲寄存器包括先行地址寄存器、先行读数 寄存器和标志字段三个部分.
• 地址部分和数据部分在有些体系结构中是复用的， 由标志位表明其为地址还是数据.
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第二章 流水线与超标量处理机
现代计算机体系结构
• 当缓冲栈尚未满时，前置部件可以不管后置部件
的工作进展，不断地自主运行将结果注入缓冲栈
中。
• 而后置部件则每次都向栈中取数，只要栈中不空， 后置部件就不会发生等待的现象。
中央处理器CPU——指令流水线
中央处理器CPU——指令流⽔线指令流⽔线概念：⼀条指令的执⾏过程划分为不同阶段，占⽤不同硬件资源，多条指令重叠操作实现并⾏处理1.顺序执⾏：⼜称串⾏执⾏⽅式；传统的冯诺依曼机器优点:控制简单，硬件代价⼩缺点：速度慢，各功能部件利⽤率低2.⼀次重叠执⾏⽅式：优点：时间缩短三分之⼀，各功能部件利⽤效率提⾼缺点：控制复杂，硬件开销增⼤3.⼆次重叠执⾏⽅式：优点：时间缩短三分之⼆，理想状态指令执⾏过程图:⽤于分析指令执⾏过程和影响流⽔线因素时空图：⽤于分析流⽔线的性能吞吐率TP:单位时间内流⽔线完成的任务数量或输出结果的数量加速⽐S：同⼀任务下，不使⽤流⽔线⽤时与使⽤流⽔线⽤时之⽐效率E：流⽔线的设备利⽤率锁存器（缓冲寄存器）：作⽤是保存本流⽔段的执⾏结果，提供给下⼀流⽔段使⽤。
影响因素：结构相关（资源冲突）：多条指令同⼀时间争⽤同⼀资源解决：1.后⼀相关指令暂停⼀周期；2.资源重复配置（数据存储器+指令存储器）数据相关（数据冲突）：在⼀个程序中，上⼀条指令执⾏完才能执⾏下⼀条指令（这两条指令即为数据相关）解决：将数据相关的指令和后续指令暂停时钟周期到问题消失再执⾏；1.硬件阻塞stall和软件插⼊NOP；2.数据旁路技术；3.编译优化：通过编译器调整指令顺序控制相关（控制冲突）：转移指令和改变PC值的指令造成断流解决：1.尽早判别转移是否发⽣，尽早⽣成转移⽬标地址2．预取转移成功和不成功两个控制流⽅向上的⽬标指令3．加快和提前形成条件码4．提⾼转移⽅向的猜准率流⽔线的分类1.根据流⽔线使⽤级别:部件功能级、处理机级和处理机间级流⽔线部件功能级流⽔：将复杂的算术逻辑运算组成流⽔线⼯作⽅式处理机级流⽔：把⼀条指令解释过程分成多个⼦过程，如取指、译码、执⾏、访存及写回5个⼦过程。
处理机间流⽔：是⼀种宏流⽔，其中每⼀个处理机完成某⼀专门任务，各个处理机所得到的结果需存放在与下⼀个处理机所共享的存储器中2，按流⽔线可以完成的功能分为：单功能流⽔线和多功能流⽔线单功能流⽔线：指只能实现⼀种固定的专门功能的流⽔线；多功能流⽔线：指通过各段间的不同连接⽅式可以同时或不同时地实现多种能的流⽔线。
超标量处理机和超流水线处理机——计算机系统结构
超标量处理机和超流⽔线处理机——计算机系统结构在表5.2中，基准标量处理机是⼀台普通的单流⽔线处理机。
为了便于进⾏⽐较，把基准标量处理机的机器流⽔线周期和指令发射等待时间都假设为1个时钟周期，同时发射的指令条数为⼀条，它的指令级并⾏度ILP（Instruction Level Parallelism）假设为1。
另外三种指令级并⾏处理机，即并⾏度为m的超标量处理机，并⾏度为n的超流⽔线处理机，以及并⾏度为（m，n）的超标量超流⽔线处理机，它们的性能都相对于基准标量处理机进⾏⽐较。
单流⽔线处理机只有⼀条指令流⽔线，只有⼀个多功能的操作部件，每个时钟周期"取指令"和"分析"完成⼀条指令。
在许多流⽔线处理机中，指令流⽔线的流⽔段数k＝4；它把⼀条指令的执⾏过程主要分解为"取指令"、"分析"、"执⾏"和"写结果"4个阶段。
指令所要执⾏的功能主要在多功能操作部件中，在"执⾏"这⼀流⽔段完成。
多数流⽔线处理机的多功能操作部件采⽤流⽔线结构。
有的简单指令，只要⼀个时钟周期就能够在"执⾏"流⽔段中完成，⽽⽐较复杂的指令往往需要多个时钟周期。
另外，还有条件转移等的影响；因此，⼀般流⽔线标量处理机每个时钟周期平均执⾏指令的条数⼩于1，即它的指令级并⾏度ILP＜1。
超标量、超流⽔线和超标量超流⽔线三种处理机在⼀个时钟周期内可以执⾏完成多条指令，即它们的指令级并⾏度ILP都⼤于1。
超标量处理机基本结构超标量处理机的典型结构是有多个操作部件，⼀个或⼏个⽐较⼤的通⽤寄存器堆，⼀个或两个⾼速Cache。
先进的超标量处理机⼀般都包含有三个处理单元，⼀个是定点处理单元，通常称为中央处理单元（CPU），它由⼀个或多个整数处理部件组成；第⼆个是浮点处理单元（FPU），它由浮点加减法部件和浮点乘除法部件等组成；第三个是图形加速部件，也称为图形处理单元（GPU），这是现代处理机中不可缺少的⼀个部分。
为了大幅度提高处理器的速度
●为了大幅度提高处理器的速度，当前处理器中采用了指令及并行处理技术，如超标量(Superscalar，)它是指(1) 。
流水线组织是实现指令并行的基本技术，影响流水线连续流动的因素除数据相关性、转移相关性外，还有(2) 和(3) ;另外，要发挥流水线的效率，还必须重点改进(4) 。
在RISC设计中，对转移相关性一般采用(5) 方法解决。
(1) A．并行执行的多种处理安排在一条指令内B．一个任务分配给多个处理机并行执行C．采用多个处理部件，多条流水线并行执行D．增加流水线级数，提高并行度(2)~ (3) A．功能部件冲突B．内存与CPU速度不匹配C．中断系统D．访内指令(4) A．操作系统B．指令系统C．编译系统D．高级语言(5) A．猜测法B．延迟转移C．指令预取D．刷新流水线重填●大容量的辅助存储器常采用RAID磁盘阵列。
RAID的工业标准共有6级。
其中(6) 是镜像磁盘阵列，具有最高的安全性；(7) 是无独立校验盘的奇偶校验码磁盘阵列；(8) 是采用纠错海明码的磁盘阵列；(9) 则是既无冗余也无校验的磁盘阵列，它采用了数据分块技术，具有最高的I／O性能和磁盘空间利用率，比较容易管理，但没有容错能力。
(6), (9) A．RAID0B．RAID1C．RAID2D．RAID3(7)~ (8) A．RAID2B．RAID3C．RAID4D．RAID5●软件测试是软件质量保证的主要手段之一，测试的费用已超过(10) 的30％以上。
因此提高测试的有效性非常重要。
"高产"的测试是指(11) 。
根据国家标准GB8566 88计算机软件开发规范的规定，软件的开发和维护分为8个阶段，其中单元测试是在(12) 阶段完成的；组装测试的计划内是在(13) 阶段制定的；确认测试的计划是在(14) 阶段制定的。
(10) A．软件开发费用B．软件维护费用C．软件开发和维护费用D．软件研制费用(11) A．用适量的测试用例，说明被测程序正确无误B．用适量的测试用例，说明被测程序符合相应的要求C．用少量的测试用例，发现被测程序尽可能多的错误D．用少量的测试用例，纠正被测程序尽可能多的错误(12) A．实现B．组装测试C．确认测试D．使用和维护(13),(14) A．可行性研究和计划B．需求分析C．概要设计D．详细设计●衡量查找算法效率的主要标准是(15) 。
10-3 超标量、超级流水线和超长指令字计算机(郑宏)
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。
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。
1
2
3
456来自I1 IFID 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
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：
计算机组成原理基础知识流水线技术和超标量处理器
计算机组成原理基础知识流水线技术和超标量处理器计算机组成原理基础知识：流水线技术和超标量处理器计算机组成原理是指计算机硬件的基本组成和工作原理。
在计算机科学与技术领域，流水线技术和超标量处理器是两个重要的概念。
本文将介绍这两种技术的基本原理和应用。
一、流水线技术流水线技术是指将一个复杂的操作分解成多个简单的子操作，并将这些子操作连续地执行，以提高计算机的指令执行效率。
在传统的自顶向下的设计方法中，计算机硬件主要包括控制器、运算器等单一功能模块，而在流水线技术中，计算机硬件被划分成多个阶段，每个阶段执行一个特定的功能子模块。
经典的流水线包括取指、译码、执行、访存和写回等阶段。
在取指阶段，计算机从存储器中读取指令；在译码阶段，计算机对指令进行解码并读取相应的操作数；在执行阶段，计算机执行相应的操作；在访存阶段，计算机对数据进行读写操作；在写回阶段，计算机将执行结果写回到寄存器或存储器。
流水线技术的优点是可以充分利用计算机硬件资源，提高指令的并行执行程度。
但是，流水线技术也存在一些问题，例如数据的相关性和冒险问题，需要通过一些技术手段来解决。
二、超标量处理器超标量处理器是一种在流水线技术基础上的改进方案。
传统的流水线技术中，每个阶段只能执行一个指令，而超标量处理器允许在同一个时钟周期内执行多个指令，以进一步提高计算机的执行效率。
超标量处理器主要依靠两个关键技术来实现多指令并行执行：乱序执行和动态调度。
乱序执行是指根据指令之间的依赖关系，按照合理的顺序执行指令，而不是按照指令在程序中的顺序执行。
动态调度是指通过硬件对指令进行调度，在不改变程序语义的前提下，尽可能地重排指令的执行顺序，以提高指令的并行度。
超标量处理器的工作原理可以简单描述为：在取指阶段，计算机从存储器中读取多个指令；在译码阶段，计算机对这些指令进行解码；在执行阶段，计算机并行执行多个指令；在访存阶段，计算机同时进行多个数据的读写操作；在写回阶段，计算机将执行结果写回到寄存器或存储器。
MIPS指令五级流水CPU设计资料
MIPS指令五级流水CPU设计资料1.指令和指令流水线MIPS指令集包含大约50条指令，包括算术/逻辑操作、存储器操作、分支和跳转等。
五级流水线是一种用于加速指令处理的技术，将指令执行过程划分为五个阶段：取指（Instruction Fetch, IF）、译码（Instruction Decode, ID）、执行（Execution, EX）、访存（Memory Access, MEM）和写回（Write Back, WB）。
2.数据通路和控制信号3.流水线冲突在流水线处理器中，常见的冲突有结构冲突、数据冲突和控制冲突。
结构冲突是由于多个指令需要同时访问同一个硬件资源而引起的，例如两个指令同时需要访问寄存器堆。
数据冲突是由于指令之间存在依赖关系而引起的，例如一条指令需要使用前一条指令的结果作为操作数。
控制冲突是由于分支指令的执行导致流水线中的指令不按顺序执行。
4.冲突解决技术为了解决流水线冲突，可以采用以下技术：延迟槽、旁路、分支预测和动态调度。
延迟槽是将分支指令后面的一条指令当作分支指令的一部分，使得分支指令的下一条指令能够在分支决策前执行。
旁路技术用于解决数据冲突，将计算结果旁路给后续指令使用。
分支预测技术用于解决控制冲突，根据过去的分支历史进行预测。
动态调度技术则根据指令的真实执行情况来进行调度，以最大程度地减少冲突。
5.性能优化为了提高CPU的性能，可以采取一些优化技术，例如流水线分段、超标量和超流水线。
流水线分段将指令流水线划分为多个段，使得每个段可以并行工作，提高指令的吞吐量。
超标量技术引入多个功能单元来同时执行多条指令，提高指令的并行度。
超流水线技术则进一步增加流水线的级数，以提高指令的处理速度。
总结：MIPS指令五级流水线CPU是一种高效的处理器设计，它采用五级流水线来加速指令处理，并通过解决流水线冲突来提高指令执行的效率。
该CPU的设计需要考虑数据通路和控制信号，以及解决冲突的技术和性能优化的方法。
计算机组成原理流水线与超标量技术的性能优化
计算机组成原理流水线与超标量技术的性能优化近年来，随着计算机应用的日益广泛和复杂化，对计算机性能的要求也越来越高。
为了提高计算机的运算速度和效率，人们不断探索和研究各种性能优化技术。
其中，流水线和超标量技术是两种常见且有效的优化方法。
一、流水线技术流水线技术是一种基于指令级并行的优化方法，它将计算机指令划分为不同的阶段，每个阶段分配一个专门的硬件模块来执行相应的操作。
通过将多条指令同时并行执行，流水线技术能够显著提高计算机的执行效率。
在流水线技术中，我们通常将指令的执行过程分为取指令、译码、执行、访存和写回五个阶段。
每个阶段由不同的硬件模块负责完成，并且能够同时处理多条指令。
这样一来，计算机就可以在同一个时间周期内执行多条指令，提高了整体的运算速度。
然而，流水线技术也存在一些问题。
首先，流水线的效率受制于指令之间的依赖关系。
如果一条指令的执行需要依赖前面指令的结果，那么流水线就会发生阻塞，降低了执行效率。
此外，流水线还会引入一定的硬件代价，包括冲突检测和调度机制的设计等。
为了更好地优化流水线技术的性能，人们提出了一系列的解决方案。
例如，通过添加冗余的硬件单元来处理指令间的依赖关系，即预测执行和乱序执行技术。
此外，还可以通过设置更多的流水线段数，增加流水线的深度，从而提高整体的执行效率。
二、超标量技术相比于流水线技术，超标量技术更加复杂和灵活，可以同时启动并行执行多条指令，进一步提高计算机的性能。
超标量技术可以通过增加硬件资源和优化指令调度的方式来实现。
在超标量技术中，我们将计算机指令分为多个指令流，并且每个指令流都可独立执行。
这样一来，计算机就能够同时执行多条指令，提高整体的运算速度。
超标量技术的核心在于指令调度，通过智能地选择和排序指令，使得多条指令可以并行执行。
与流水线技术相比，超标量技术能够更好地处理指令之间的依赖关系。
当一条指令的执行需要依赖其他指令的结果时，超标量技术可以灵活地选择其他可执行的指令来填充空闲的硬件执行单元。
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吞吐率
存在问题
1.超标量处理机都重复设置有多个相同的指令执行部件，而超流水线处理 机 只是把同一个指令执行部件分解为多个流水极。
2.超流水线处理机要比超标量处理机条件转移等操作造成的损失大。 3.超流水线处理机的启动延迟比超标量处理机大 4.因为超线程技术是对多任务处理有优势，因此当运行单线程运用软件时，超线 程技术将会降低系统性能，尤其在多线程操作系统运行单线程软件时将容易出现 此问题。
介绍并分析“CPU提速之指令流水线与超标量技术”
生如夏花
目录
原理
存在问题
解决办法
注意事项
原理介绍
超流水线是通过细化流水、提高主频，使得 在一个机器周期内完成一个甚至多个操作， 其实质是以空间换取时间。 超标量，CPU架构是指在一颗处理器内核中 实行了指令级并行的一类并行运算。这种技 术能够在相同的CPU主频下实现更高的CPU
注意事项
对于一些需要处理器进行运算的工作来说(专门为超线程或多核、多处理器设计 的程序)，开启超线程功能绝对能够让平台的运算能力得到有效的提升，如果您 经常使用7-Zip和WinRAR等软件对文件进行压缩和解压缩，那么一定要开启超线 程，可以起到事半功倍的效果。 而对于偏向游戏的玩家来说，是否开启超线程，就要根据具体情况来抉择了。 首先，要看玩家在运行游戏的过程中，处理器的负载状态。比如有的玩家喜欢 双开、多开游戏客户端，那么平台会长时间运行在高负载的状态下，根据我们 之前的测试结果可以发现，在这种情况下，将超线程功能关闭，往往能够获得 更好的游戏体验。
Thanks
公司名公司名公司名公司名
Hale Waihona Puke 5.在打开超线程支持后，如果处理器以双处理器模式工作，那么处理器内部缓存 就会被划分成几区域，互相共享内部资源。对于不支持多处理器工作的软件在双 处理器上运行时出错的概率要比单处理器上高很多。
明
解决办法
CPU具有超标量结构才能使用超标量处理机。 操作系统选用Windows XP及以上的版本才能正式支持“超线程”技术