计算机体系结构之流水线技术
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
计算机系统结构 第 3 章 流水线技术_标量
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27
非线性流水线
反馈回路
• 流水线的流动顺序： • S1→S2 →S3 →S2 →S3 →S4 →S1 →S2
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1 s1 s2 s3 s4 1
2 1
3
4 1
5
6
7 1
8 1
9
1
1 1
• 为了防止两条或两条以上的指令对同一功能段的 争用，非线性流水线需要对输入流水线的指令进 行比较复杂的控制。 • 非线性流水线通常使用预约表来进行分析。
i 2
n
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7
执行时间不等时的一次重叠工作方式
分析 k
执行 k 分析 k+1 执行 k+1 分析 k+2 执行 k+2 分析 k+3 执行 k+3
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8
3. 先行控制方式
• 先行控制方式的基本思想: • 通过设置先行读数栈,先行操作栈,后行写数 栈等,使分析部件和执行部件能够分别连续 不断地分析和执行指令。
1 t s t l
• 若每个流水段的延迟时间不等，则最高工作频率 为：
1
max t Si t l
n i 1
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流水技术的特点
• ⑴ 一条流水线通常由若干个有联系的流水段组成。 • 流水线中的段数也称为 “流水深度” 。 • ⑵ 每个流水段有专门的功能部件对指令进行某种 加工。 • ⑶ 各流水段所需时间应尽量相等，以减少流水线 的瓶颈影响。 • ⑷ 流水线工作阶段可分为建立(装入)、满载和排 空三个阶段。 • ⑸在理想情况下，当流水线充满后，每隔Δ t时间 将会有一个结果流出流水线。
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
计算机系统结构的八个重要方法
计算机系统结构的八个重要方法计算机系统结构是指计算机硬件和软件组成的总体结构和组织方式。
它是计算机科学中的一个重要领域，研究如何设计和组织计算机系统，以实现高效、可靠、安全的计算和信息处理。
计算机系统结构的研究方法有很多，下面将介绍八个重要的方法。
一、层次化结构方法层次化结构方法是计算机系统设计中最基本和最重要的方法之一。
它将计算机系统划分为若干层次，每一层次都有特定的功能和接口。
这种层次化的结构设计可以使系统模块化，方便维护和升级，提高系统的可靠性和可扩展性。
二、模块化设计方法模块化设计方法是指将计算机系统的功能划分为若干相对独立的模块，并通过接口进行连接和交互。
模块化设计可以使系统结构清晰，各个模块之间的依赖关系明确，方便并行开发和测试。
同时，模块化设计还可以提高系统的可重用性，方便对系统进行扩展和定制。
三、并行计算方法并行计算方法是指通过将计算任务分解成若干子任务，并行执行，以提高计算速度和效率。
在计算机系统结构中，可以通过设计多核处理器、并行计算架构和分布式系统等方式实现并行计算。
并行计算方法可以充分利用计算资源，提高系统的整体性能。
四、流水线技术流水线技术是一种将计算任务划分为若干阶段，并且每个阶段可以并行执行的方法。
流水线技术可以有效提高计算机系统的吞吐量和响应速度。
在流水线技术中，各个阶段之间需要进行数据传递和控制，因此需要设计合理的接口和协议。
五、缓存技术缓存技术是指在计算机系统中添加一层高速存储器，用于暂时存储经常访问的数据和指令。
通过缓存技术，可以减少对主存的访问次数，提高系统的运行速度。
缓存技术需要设计合理的缓存算法和替换策略，以保证数据的一致性和正确性。
六、虚拟化技术虚拟化技术是指将一台物理计算机划分为多个虚拟计算机，并且每个虚拟计算机可以独立运行不同的操作系统和应用程序。
虚拟化技术可以提高计算机资源的利用率，降低系统的维护和管理成本。
在虚拟化技术中，需要设计虚拟机监控器和虚拟机管理器等软件组件。
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）
计算机组成与结构第9章 流水线技术
9.3.2
1.
向量处理机的指令系统一般应包含有向量型和标量型两 类指令。 向量型运算类指令一般又可以有如下几种：
向量V1运算得向量V2， 如V2=SIN(V1)；
n
向量V运算得标量S， 如S Vi ；
i 1
向量V1与向量V2运算得向量V3，如V3=V1∧V2；
向量V1与标量S运算得向量V2， 如V2=S*V1。
从时—空图分析实际的吞吐率
2. 效率
流水线的效率是指流水线中的设备实际使用时间占整个运
行时间之比，也称流水线设备的时间利用率。由于流水线存 在有建立时间和排空时间(最后一个任务流入到流出的时间)， 在连续完成n个任务的时间里，各段并不总是满负荷工作的。
如果是线性流水线，且各段经过时间相同，如图5.22那样，
B一次相关与二次相关
B一次、 二次相关的推后处理
B相关专用通路法
9.2 流 水 方 式
9.2.1 基本概念
1. 流水是重叠的引申
指令分解为“分析”与“执行”子过程
流水处理
流水和重叠的区别
“一次重叠”把指令的解释过程分解成“分析”和“执行”两个子过 程，流水则分成更多个子过程。 “一次重叠”同时解释两条指令，流水可同时解释多条指令。 流水每个子过程经过的时间Δt越小，流水线的最大吞吐率就越高
则在T时间里，流水线各段的效率都相同，均为η0，即
1
2
m
nt0 T
mnn10
整个流水线的效率
12 m m0 mnt0
m
m mT
式中，分母m·T是时—空图中m个段和流水总时间T所围成的 总面积，分子m·nΔt0则是时—空图中n个任务实际占用的总面
积。因此，从时—空图上看，效率实际上就是n个任务占 用的时—空区面积和m个段总的时—空区面积之比。显
原题目：流水线技术在计算机体系结构中的应用
原题目：流水线技术在计算机体系结构中的应用引言计算机体系结构是指计算机硬件和软件的组织结构，它的设计与性能直接相关。
流水线技术是一种提高计算机运行效率的重要手段，它通过将计算机指令的执行过程分解为多个子操作，使得指令可以在同时执行的同时利用硬件资源。
本文将探讨流水线技术在计算机体系结构中的应用。
流水线技术的原理流水线技术是一种将处理过程划分为多个阶段，并将不同阶段的处理并行化的方法。
典型的流水线工作过程可以分为取指、译码、执行、访存和写回阶段。
不同的指令在执行过程中经过这些阶段，使得计算机可以在同一时刻执行多个指令，从而提高了计算机的运行效率。
流水线技术在计算机体系结构中的应用提高指令级并行度流水线技术可以将多个指令同时执行，提高了计算机的指令级并行度。
每个指令经过不同的流水线阶段，可以在不同的硬件单元上执行。
这种并行执行的方式使得计算机可以同时处理多个指令，提高了计算机的执行效率。
加速数据传输在计算机体系结构中，数据的传输过程通常会消耗大量的时间。
流水线技术可以通过并行传输的方式减少数据传输的时间，从而加快计算机的数据传输速度。
通过将数据传输过程分解为多个子操作，并在不同的流水线阶段同时执行，可以最大程度地发挥计算机硬件的传输能力。
优化资源利用流水线技术可以充分利用计算机硬件资源，提高资源的利用率。
每个流水线阶段可以在不同的硬件单元上执行，使得计算机的硬件资源可以同时处理多个指令。
这种资源的并行使用方式可以减少硬件资源的闲置时间，提高计算机硬件资源的利用效率。
结论流水线技术是一种重要的计算机体系结构优化技术，它通过将计算机指令的执行过程分解为多个子操作，并在不同的硬件阶段并行执行，提高了计算机的执行效率。
流水线技术在计算机体系结构中的应用可以加速指令级并行度、提高数据传输速度，并优化资源的利用。
因此，在计算机体系结构的设计和优化中，流水线技术是不可或缺的。
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计算机体系结构之流水线技术(ppt 125页)
张伟 计算机学院
大纲
1 概念定义 2 流水线分类 3 MIPS五级流水线 4 性能分析 5 流水线相关 6 高级流水线技术
1 概念定义
洗衣店的例子
A, B, C, D 均有一些衣物要 清洗，甩干，折叠
清洗要花30 分钟 甩干要用40 分钟 叠衣物也需要20 分钟
流水线输出端任务流出的顺序与输入端任务流 入的顺序相同。
异步流动流水线（乱序流水线）：
流水线输出端任务流出的顺序与输入端任务流 入的顺序不同。
3 MIPS五级流水线
DLX(Dancing Links)
DLX 是一种简单的指令集（教学、简单芯片） 在不流水的情况下，如何实现DLX。
实现DLX指令的一种简单数据通路
4. 存储器访问周期MEM（Memory Access） 5. 写回周期WB（Write Back）
MIPS的简单实现
Instruction Fetch
Instr. Decode Reg. Fetch
Next PC
Next SEQ PC
4
RS1
RS2
Execute Addr. Calc
Zero?
RD
增加了向后传递IR和从MEM/WB.IR回送到通用寄存 器组的连接。
将对PC的修改移到了IF段，以便PC能及时地加 4，为取下一条指令做好准备。
2. 每一个流水段进行的操 作
IR[rs]＝IR6..10 IR[rt]＝IR11..15 IR[rd]＝IR16..20
流水线的每个流水段的操作
将有效地址计算周期和执行周期合并为一个时钟周期，这
是因为MIPS指令集采用load／store结构，没有任何指令
需要同时进行数据有效地址的计算、转移目标地址的计算
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计算机体系结构
按照流动是否可以乱序来分
顺序流动流水线：
流水线输出端任务流出的顺序与输入端任务流 入的顺序相同。
异步流动流水线（乱序流水线）：
流水线输出端任务流出的顺序与输入端任务流 入的顺序不同。
计算机体系结构
3 MIPS五级流水线
DLX(Dancing Links)
计算机体系结构
DLX 是一种简单的指令集（教学、简单芯片） 在不流水的情况下，如何实现DLX。
四人衣物一共要花 4*（30+40+20）=360分钟
流水线的基本概念
计算机体系结构
6 PM 7
8
9
Time
T a
30 40 40 40 40 20
s k
A
O
r
B
d
e r
C
D
四人衣物一共要花 30+40*4+20=210分钟
流水线的基本概念
计算机体系结构
流水线技术：把一个重复的过程分解为若干个 子过程，每个子程序可以与其他子过程同时进 行
计算机体系结构
3 流水线技术
1
©
大纲
1 概念定义 2 流水线分类 3 MIPS五级流水线 4 性能分析 5 流水线相关 6 高级流水线技术
计算机体系结构
1 概念定义
计算机体系结构
洗衣店的例子
计算机体系结构
A, B, C, D 均有一些衣物要 清洗，甩干，折叠
清洗要花30 分钟 甩干要用40 分钟 叠衣物也需要20 分钟
描述流水线的工作，最常用的方法是时间-空 间图（时空图）
横坐标：表示时间，即各个任务在流水线中所经过 的时间
纵坐标：表示空间，即流水线的各个子过程，也称 为级、段、流水线深度(Stage)
流水线的时空图ຫໍສະໝຸດ 计算机体系结构流水线的特点
计算机体系结构
流水线实际上是把一个功能部件分解成多个独立的子 功能部件（一个任务也就分成了几个子任务，每个子 任务由一个子功能部件完成），并依靠多个子功能部 件并行工作来缩短所有任务的执行时间
实现DLX指令的一种简单数据通路
MIPS的基本流水线
计算机体系结构
MIPS指令集结构用5个功能段实现，每个功 能段用一个时钟周期
1. 取指令周期IF（Instruction Fetch） 2. 指令译码/读寄存器周期ID（Instruction
Decode） 3. 执行/地址计算周期EX（Execute）
把指令的解释执行过程按照流水方式进行处理。
处理机间流水线（宏流水线）：
它是指由两个以上的处理机串行地对同一数据流 进行处理，每个处理机完成一项任务。动画解析
流水线的分类（4）
计算机体系结构
按流水线是否有反馈回路分类 线性流水线：流水线的各段逐个串接，输入数 据从流水线一端输入从另一端输出；每个段都 只流过一次。 非线性流水线：流水线的各段除有串接外，还 有反馈回路；在一次流水过程中，有的段要被 多次使用。(举例)
Next SEQ PC
4
RS1
RS2
Execute Addr. Calc
Zero?
RD
ALU
MUX MUX
Inst
Adder Memory
Address
Reg File
Imm
Sign Extend
WB Data
MUX
MUX
Data Memory
计算机体系结构
Memory Write Access Back
原因：在MIPS指令格式中，操作码字段以及rs、rt
字段都是在固定的位置。
这种技术称为固定字段译码技术。
执行/有效地址计算周期（EX）
计算机体系结构
不同指令所进行的操作不同：
存储器访问指令 ALUo←A + Imm
流水线的分类（5）
计算机体系结构
按照数据表示来分 标量处理机：
不具有向量指令和向量数据表示，仅对标量进 行流水处理的处理机。
例如：IBM360/91, Amdahl 470V/6 等 向量处理机：
具有向量指令和向量数据表示的处理机。 例如：TI ASC, CRAY-I 等
流水线的分类（6）
L M D
计算机体系结构
2. 一条MIPS指令最多需要以下5个时钟周期：
取指令周期（IF）
操作
IR←Mem[PC]
NPC←PC+4
指令译码/读寄存器周期（ID） 操作 A ← Regs[rs] B ← Regs[rt] Imm ← （（IR16）16##IR16..31）
指令的译码操作和读寄存器操作是并行进行的。
动画演示
计算机体系结构
动态流水线 VS 静态流水线
优点：能提高流水线的效率 缺点：会使流水线的控制变得复杂
流水线的分类（3）
计算机体系结构
按照流水线的级别来分
部件级流水线（运算操作流水线）：
把处理机的算术逻辑部件分段，使得各种数据类 型的操作能够进行流水。
处理机级流水线（指令流水线）：
流水线有助于提高整个程序（所有任务）的吞吐率， 但并没有减少每个指令（任务）的执行时间
流水线各个功能段所需时间应尽量相等。否则，时间 长的功能段将成为流水线的“瓶颈”，会造成流水线 的“阻塞”（Stall）
流水线开始需要“通过时间” (Fill)和最后需要“排空 时间”(Drain)。流水线只有处理连续不断的任务才能 发挥其效率
❖ 存储器访问（计算有效地址）
❖ 寄存器－寄存器ALU操作 ❖ 寄存器－立即数ALU操作
4. 存储器访问周期MEM（Memory Access） 5. 写回周期WB（Write Back）
MIPS的简单实现
Instruction Fetch
Instr. Decode Reg. Fetch
Next PC
按流水线在同一时间内各段的连接方式分类
静态流水线：
在同一时间内，多功能流水线各段只能按同一种功能连 接。只有当按这种方式工作的所有任务都流出流水线之 后，才能重新连接以实现其他功能。
在静态流水线中，只有当输入是一串相同的运算操作时 ，流水的效率才能得到发挥。
动画演示
动态流水线：
在同一时间内，多功能流水线各段可以按不同方式连接 ，同时执行多种功能
2 流水线分类
计算机体系结构
流水线的分类（1）
计算机体系结构
按流水线所完成的功能分类 单功能流水线：只能完成一种固定功能的流水线 多功能流水线：流水线的各段可以进行不同的连 接，使流水线在不同的时间，或者在同一时间完 成不同的功能
例如： TI ASC的多功能流水线
计算机体系结构
流水线的分类（2）