非线性流水线调度
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
计算机系统结构复习试题及答案（非计算）
计算机系统结构复习试题及答案（⾮计算）⼀．名词解释计算机系统结构：传统机器程序员所看到的计算机属性，即概念性结构与功能特性。
在计算机技术中，把这种本来存在的事物或属性，但从某种⾓度看⼜好像不存在的概念称为透明性。
系列机：由同⼀⼚家⽣产的具有相同系统结构、但具有不同组成和实现的⼀系列不同型号的计算机。
同构型多处理机系统：由多个同类型或⾄少担负同等功能的处理机组成，它们同时处理同⼀作业中能并⾏执⾏的多个任务。
堆栈型机器：CPU 中存储操作数的单元是堆栈的机器。
累加器型机器：CPU 中存储操作数的单元是累加器的机器。
通⽤寄存器型机器：CPU 中存储操作数的单元是通⽤寄存器的机器。
数据相关：考虑两条指令i 和j，i 在j 的前⾯，如果下述条件之⼀成⽴，则称指令j 与指令 i 数据相关：（1）指令j 使⽤指令i 产⽣的结果；（2）指令j 与指令k 数据相关，⽽指令k ⼜与指令i 数据相关。
定向：⽤来解决写后读冲突的。
在发⽣写后读相关的情况下，在计算结果尚未出来之前，后⾯等待使⽤该结果的指令并不见得是马上就要⽤该结果。
如果能够将该计算结果从其产⽣的地⽅直接送到其它指令需要它的地⽅，那么就可以避免停顿。
向量处理机：指令级并⾏：简称ILP。
是指指令之间存在的⼀种并⾏性，利⽤它，计算机可以并⾏执⾏两条或两条以上的指令。
指令的动态调度：是指在保持数据流和异常⾏为的情况下，通过硬件对指令执⾏顺序进⾏重新安排，以提⾼流⽔线的利⽤率且减少停顿现象。
是由硬件在程序实际运⾏时实施的。
指令的静态调度：是指依靠编译器对代码进⾏静态调度，以减少相关和冲突。
它不是在程序执⾏的过程中、⽽是在编译期间进⾏代码调度和优化的。
失效率：CPU 访存时，在⼀级存储器中找不到所需信息的概率。
失效开销：CPU 向⼆级存储器发出访问请求到把这个数据调⼊⼀级存储器所需的时间。
强制性失效：当第⼀次访问⼀个块时，该块不在Cache 中，需要从下⼀级存储器中调⼊Cache，这就是强制性失效。
选择题答案——精选推荐
第一章单项选择题1．系列机软件应做到_______。
A．向前兼容，并向上兼容B．向后兼容，力争向上兼容C．向前兼容，并向下兼容D．向后兼容，力争向下兼容答：B2．衡量机器性能的唯一固定而且可靠的标准是________ 。
A．MIPS B．MFLOPSC．基准测试D．真正执行程序的时间答：D3．在下列计算机系统的设计思路中，适合专用机的是________。
A．由上往下B．由下往上C．由中间开始D．所有层同时开始答：A4．在推出系列机的新机器时，不能更改的是_________。
A．原有指令的寻址方式和操作码B．系统总线的组成C．数据通路宽度D．存储芯片的集成度答：A5．对汇编语言程序员透明的是________。
A．Cache内容的存取B．浮点运算C．程序性中断D．存取操作数答：A6．直接执行微指令的是________。
A．汇编程序B．编译程序C．硬件D．微指令程序答：C7．在计算机系统设计中，________ 是比较好的方法。
A. “由上往下”设计B. “由下往上”设计C. “从两头向中间”设计D. “从中间开始向上、向下”设计答：D8．按照Flynn分类法可以将计算机系统结构分为四类，他们是__________。
A. 单指令流单数据流、单指令流多数据流、多指令流单数据流、多指令流多数据流；B. 字串位串、字并位串、字串位并、字并位并；C. 科学计算、事务处理、实时控制、家用；D. 单处理机、多处理机、标量处理机、向量处理机。
答：A9．以下说法中不正确的是__________。
A. 计算机组成是计算机系统结构的逻辑实现；B. 计算机系统结构是计算机系统的软硬件的界面；C. 计算机系统结构是计算机组成的逻辑实现；D. 计算机实现是计算机组成的物理实现。
答：C10．在计算机的系统结构设计中，提高软件功能实现的比例会________。
A．提高解题速度B．减少需要的存储器容量C．提高系统的灵活性D．提高系统的性能价格比答：C11．结构设计者所关心的是________所看到的的计算机结构。
计算机系统 总 复 习(2011)
总复习第一章1.计算机系统结构、组成、实现的基本概念和包含的内容；系统结构与软硬件功能划分的关系；计算机系统的多级层次结构；判断某项内容属于结构、组成、实现的哪一类；判断某项内容针对不同程序员的透明性。
2.促进系统结构发展的因素（软件、应用、器件）。
软件：实现软件可移植性的方法；系列机的概念；软件兼容的概念（向前、向后、向上、向下兼容）；模拟与仿真技术的概念；应用：应用对系统结构的要求。
器件：系统结构下移的概念。
3.计算机系统的分型与分类的概念。
Flynn分类法4.系统结构设计的定量原理（Amdahl定理）；加速比的计算方法；5.程序访问的局部性原理（时间局部性、空间局部性）；判断系统结构中局部性原理的应用。
6.系统评价的指标（响应时间、CPU时间、MIPS、MFLOPS）；运用CPU性能公式、平均CPI比较系统性能。
7.并行性的概念；并行性的等级、粒度；并行性的开发策略（时间重叠、资源重复、资源共享）；8.计算机系统的主要设计方法第二章1.指令系统的设计要求（完备性、有效性、兼容性、规整性、对称性、可扩充性、正交性、有利于编译）。
2.指令系统的分类（堆栈型、累加器型、通用寄存器型）；通用寄存器型指令的特点（R－R型、R－M型、M－M型）。
3.操作数访问方式（按地址访问、按内容访问）；按地址访问的编址问题：字编址、字节编址、位编址；按字节编址时的大端排序与小端排序。
编址规定中的访存越界问题及其解决方法。
按内容访问：联想存储器的工作过程。
4.指令格式的设计准则；操作码的优化方法（霍夫曼编码、扩展霍夫曼编码）。
5.指令系统的两种设计风格CISC和RISC。
CISC风格的特点；RISC风格的特点。
RISC风格指令系统的实现技术：窗口寄存器重叠技术、优化转移技术。
6.数据类型、数据表示、数据结构的概念和关系；引入数据表示的原则（减少程序执行时间和存储容量、较好的通用性和较高的效率）；数据表示与系统结构的关系。
专升本《计算机系统结构》
[试题分类]:专升本《计算机系统结构》_08040250[题型]:单选[分数]:21.在由多个通道组成的I/O系统中，I/O的最大流量是（）A.各通道实际流量之和B.各通道最大流量之和C.各通道最大流量的最大值D.各通道实际流量的最大值答案:B2.由同一厂家生产的、系统结构相同的，但组成和实现不同的所有计算机，称为（）A.系统机B.系列机C.扩展机D.兼容机答案:B3.同构型多处理机和异构型多处理机所采用的提高并行性的技术途径分别是（）A.资源重复、时间重叠B.资源重复、资源共享C.资源共享、资源重复D.资源共享、时间重叠答案:A4.与线性流水线最大吞吐率有关的是（）A.最慢的那一段的执行时间B.最后功能段的执行时间C.各个功能段的执行时间D.最快的那一段的执行时间答案:A5.下列选项中，结构不对称的静态网络是（）A.立方体网络B.线性阵列C.全连接网络D.环网答案:B6.从计算机系统中处理数据的并行性看，并行性等级从低到高分为（）A.位串字串、位并字串、位串字并、全并行B.位并字串、全并行、位串字串、位串字并C.全并行、位并字串、位串字串、位串字并D.位串字串、位串字并、位并字串、全并行答案:A7.并行处理机上执行并行算法的效率与并行处理机上（）有重要关系。
A.指令的并行B.数据的分布C.存储器的结构D.互连网络答案:B8.在超标量流水线中，不采用的调度方法是（）A.乱序发射顺序完成B.顺序发射顺序完成C.顺序发射乱序完成D.乱序发射乱序完成答案:A9.最早的冯·诺依曼(vonNeumann)结构计算机是以（）为中心的。
A.I/O设备B.存储器C.控制器D.运算器答案:D10.替换算法要解决的问题是（）A.新用户要进入主存，选择哪个用户作为被替换的用户B.当页面失效时，选择主存中哪个页作为被替换页C.如何用主存的实页号替代多用户的虚页号D.用户的虚页如何与主存的实页对应答案:B11.通道方式输入输出系统中，对优先级高的磁盘等高速设备，适合于连接()A.字节及数组多路通道B.字节多路通道C.选择通道D.数组多路通道答案:C12.指令的重叠解释方式与顺序解释方式相比，可以提高（）指令的执行速度。
计算机体系结构试题及答案
计算机体系结构试题及答案12008年01月23日22:211、计算机高性能发展受益于：(1)电路技术的发展；(2)计算机体系结构技术的发展。
2、层次结构：计算机系统可以按语言的功能划分为多级层次结构，每一层以不同的语言为特征。
第六级：应用语言虚拟机-> 第五级：高级语言虚拟机-> 第四级：汇编语言虚拟机-> 第三级：操作系统虚拟机-> 第二级：机器语言(传统机器级) ->第一级：微程序机器级。
3、计算机体系结构：程序员所看到的计算机的属性，即概括性结构与功能特性。
For personal use only in study and research; not for commercial use4、透明性：在计算机技术中，对本来存在的事物或属性，从某一角度来看又好像不存在的概念称为透明性。
5、Amdahl提出的体系结构是指机器语言级程序员所看见的计算机属性。
6、经典计算机体系结构概念的实质3是计算机系统中软、硬件界面的确定，也就是指令集的设计，该界面之上由软件的功能实现，界面之下由硬件和固件的功能来实现。
7、计算机组织是计算机系统的逻辑实现；计算机实现是计算机系统的物理实现。
8、计算机体系结构、计算机组织、计算机实现的区别和联系？答：一种体系结构可以有多种组成，一种组成可以有多种物理实现，体系结构包括对组织与实现的研究。
9、系列机：是指具有相同的体系结构但具有不同组织和实现的一系列不同型号的机器。
10、软件兼容：即同一个软件可以不加修改地运行于系统结构相同的各机器，而且它们所获得的结果一样，差别只在于运行时间的不同。
11、兼容机：不同厂家生产的、具有相同体系结构的计算机。
12、向后兼容是软件兼容的根本特征，也是系列机的根本特征。
13、当今计算机领域市场可划分为：服务器、桌面系统、嵌入式计算三大领域。
14、摩尔定律：集成电路密度大约每两年翻一番。
15、定量分析技术基础（1）性能的评测：（a）响应时间：从事件开始到结束之间的时间；计算机完成某一任务所花费的全部时间。
迭加原理及其在非线性流水线调度中的应用
Ｋｅ ｗｏ ｄ ： ｓ ｐ ｒ ｏ ｉ ｏ ｒ ｃ ｐ ｅ ｎ ｎ ｉ ｅ ｒ ｐ ｐ ｌ ｅ ｓａｅ ｄ ａ ｒｍ ｙ ｒ ｓ ｕ ｅ ｐ ｓ ｉｎ ｐ ｎ ｉ ｌ ， ｏ ｌ ａ ｉ ｅ ｉ 。 ｔｔ ｉｇ ａ ｔ ｉ ｎ ｎ
１ 引言
流 水 线 技 术在 现代 处 理 器 设 计 中广 泛 采 用 ， 文 献 【】 给 如 ｌ 巾
用 采建 立绘 制 非 线 性 流 水线 无 冲 突调 度 状 态 图 的 规 则 。 最后 ， 论 了一 种 特 殊 和 重 要 的 情 形 。 讨 关 键 词 迭 加 原 理 非 线性 流 水 线 状 态图
文 章 编 号 １ ０ — ３ １ （０ ６ １— ０ ６ ０ 文献 标 识 码 Ａ ０ ２ ８ ３一 ２０ ）６ ０ ７ — ４ 中图 分 类 号 Ｔ ３ ３ ８ Ｐ９ ． ０
出 了一 种 ＭＩＳ计 算 机 的 流 水 线 实 现 方 案 。然 而 ， 于 流 水 线 Ｐ 由
Ｔ Ｘ．０ 表 示 任 务 即 将 进 人 流 水 线 但 还 没 有 进 人 流 水 （ 一）
线 前 一 瞬 间 的 时刻 ， （ ．０ 表示 任 务 ． 刚 进 人 流水 线 一 瞬 ＴＸ＋ ） 刚
Ｚｈ ｎ ｉ ｕ ｎ ａ ｇ Ｄａ ｙ ａ
（ ｅ ａｔ ｅ ｔｏ ｏ ｕｅ ｃｅｃ ｎ ｅｈ ｏｏｙ Ｎ ｎｉｇ Ｕ ｉｅｓｙ ｏ ｏｔ Ｄ ｐ ｒ ｎ ｆＣ ｍｐ ｔｒＳ ｉｎ ｅ ａ ｄ Ｔ ｃ ｎ ｌｇ ， ａ ｊ ｎｖ ｒｉ ｆＰ ｓ ｍ ｎ ｔ ｓ
非线性流水线
4.1 指令级并行的概念 4.2 指令的调度 4.3 动态分支预测技术 4.4 多指令流出技术
4.1 指令级并行
4.1.1 指令级并行的概念
➢ 几乎所有的处理机都利用流水线来使指令重叠并 行执行，以达到提高性能的目的。这种指令之间 存在的潜在并行性称为指令级并行。
（ILP：Instruction-Level Parallelism）
4.1 指令级并行
举例说明 DADDU
R2，R3，R4BEQZR2Fra bibliotekL1LW
R1，0（R2）
L1 ：
➢ 数据流：指数据值从其产生者指令到其消费者指 令的实际流动。
分支指令使得数据流具有动态性，因为它使得给定 指令的数据可以有多个来源。
仅仅保持数据相关性是不够的，只有再加上保持控 制顺序，才能够保持程序顺序。
➢ 具体的一次相关是否会导致实际冲突的发生以及 该冲突会带来多长的停顿，则是流水线的属性。
1. 可以从两个方面来解决相关问题： ➢ 保持相关，但避免发生冲突。
指令调度
➢ 通过代码变换，消除相关。 2. 程序顺序：由源程序确定的在完全串行方式下指令的
执行顺序。
必须保持程序顺序
4.1 指令级并行
1. 控制相关并不是一个必须严格保持的关键属性。 2. 对于正确地执行程序来说，必须保持的最关键的两个
➢ 理想CPI是衡量流水线最高性能的一个指标。 ➢ IPC：Instructions Per Cycle
（每个时钟周期完成的指令条数）
1. 基本程序块 ➢ 基本程序块：一段除了入口和出口以外不包含其他 分支的线性代码段。 ➢ 程序平均每5～7条指令就会有一个分支。
4.1 指令级并行
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当以某一个启动距离向一条非线性流水线连续 输入任务时，可能在某一个流水段，或某几个 流水段中发生有几个任务同时争用同一个流水 段的情况，这种情况就是非线性流水线中的冲 突。
非线性流水线中的冲突举例
启动距离为3的流水线冲突情况
禁止启动距离
引起非线性流水线流水段冲突的启动距离称为 禁止启动距离。
流水线的禁止表和初始冲突向量
对于S1，禁止启动距离是7-1=6； 对于S2，禁止启动距离是6-2=4； 对于S3，禁止启动距离是5-3=2； 所以：禁止表F=（6,4,2） 冲突向量C=（101010）
流水线的状态图及各简单启动循环
简单循环 （1，7） 平均启 动距离 4
（3，7）
（5，7） （3，5，7） （5，3，7） （3，5） （5） （7）
例如： 禁止表 F = （6，4，2），
则：
冲突向量 C＝（C6C5C4C3C2C1）， 由于禁止表是（6，4，2），得到C6＝C4＝C2＝1，其 余位为0，因此，冲突向量为C＝（101010）。
由冲突向量构造状态图
把上面得到的冲突向量C作为初始冲突向量送入一个逻 辑右移移位器：
当从移位器移出的位为0时，用移位器中的值与初始冲突向量 作“按位或”运算，得到一个新的冲突向量； 若移位器移出的位为1，不作任何处理；移位器继续右移，如 此重复。
禁止表
如对于前例的预约表
第1行的第1列与第4列的两个“×”之间的距离为3；第 1列与第7列的两个“×”之间的距离为6；第4列与第7 列的两个“×”之间的距离也为3； 第2行的第2列与第5列的两个“×”之间的距离也为3； 第3行的第2列与第6列的两个“×”之间的距离为4。 因此，对应的非线性流水线的禁止表为（3，4，6）。
启动循环
有些启动距离在非线性流水线的所有功能段， 在任何时间都不会发生冲突。
如前例中启动距离为5时，其预约表如下：
启动循环
非线性流水线中，不发生冲突的启动距离不一 定仅仅是一个常数，在一般情况下是一个循环 数列。
例如，前例中采用1、7、1、7、…交替的启动 距离时，任何一个时钟周期也不会发生冲突。
启动循环
使非线性流水线的任何一个流水段在任何一个 时钟周期都不发生冲突的循环数列称为非线性 流水线的启动循环。
只有一个启动距离的启动循环又称为恒定循环。 把一个启动循环内的所有启动距离相加再除以 这个启动循环内的启动距离个数就得到这个启 动循环的平均启动距离。
Байду номын сангаас
无冲突调度方法
非线性流水线无冲突调度的主要目标是要找出具 有最小平均启动距离的启动循环，按照这样的启 动循环向非线性流水线的输入端输入任务，流水 线的工作速度最快，而且所有流水段在任何时间 都没有冲突。
如上例中启动距离3是禁止启动距离
禁止表
要正确地调度一条非线性流水线，首先要找出流水线 的所有禁止启动距离。
把一条非线性流水线的所有禁止启动距离组合在一起 就形成一个集合，通常把这个集合称为非线性流水线 的禁止表。 由预约表得到禁止表的方法很简单，只要把预约表的 每一行中任意两个“×”之间的距离都计算出来，去掉 重复的，由这种数组成的一个集合就是这条非线性流 水线的禁止表。
非线性流水线的调度
张长明
hdjsjxtjg@ password：ncepubd
非线性流水线的表示
一条非线性流水线一般需要一个各流水段之间的连接 图和一张预约表共同来表示。
非线性流水线的冲突
向一条非线性流水线的输入端连续输入两个任 务之间的时间间隔称为非线性流水线的启动距 离或等待时间。启动距离通常用时钟周期数来 表示，它是一个正整数。
对于中间形成的每一个新的冲突向量，也要按照这一 方法进行处理。 在初始冲突向量和所有的新形成的冲突向量之间用带 箭头的线连接，表示各种状态之间的转换关系。 当新形成的冲突向量出现重复时可以合并到一起。
无冲突调度方法
下面通过一个具体的例子来说明非线性流水线 的调度方法。一条有4个流水段的非线性流水 线，每个流水段的延迟时间都相等，其预约表 如下：
基本步骤
(1)写出流水线的禁止表和初始冲突向量。 (2)画出调度流水线的状态图。
(3)求出流水线的各种启动循环和对应的平均启动距离。
(4)找出平均启动距离最小的启动循环。
禁止表和冲突向量
冲突向量用二进制数表示，其长度是禁止表中的最大 距离，每一位在向量中的位置i，对应于i个时钟周期的 启动距离，若该启动距离是禁止启动距离，则该位为1， 否则为0。