流水线操作技术
计算机流水线（Pipeline）技术
计算机流⽔线（Pipeline）技术流⽔线是现代RISC核⼼的⼀个重要设计，它极⼤地提⾼了性能。
对于⼀条具体的指令执⾏过程，通常可以分为五个部分：取指令，指令译码，取操作数，运算（ALU），写结果。
其中前三步⼀般由指令控制器完成，后两步则由运算器完成。
按照传统的⽅式，所有指令顺序执⾏，那么先是指令控制器⼯作，完成第⼀条指令的前三步，然后运算器⼯作，完成后两步，在指令控制器⼯作，完成第⼆条指令的前三步，在是运算器，完成第⼆条指令的后两部……很明显，当指令控制器⼯作是运算器基本上在休息，⽽当运算器在⼯作时指令控制器却在休息，造成了相当⼤的资源浪费。
解决⽅法很容易想到，当指令控制器完成了第⼀条指令的前三步后，直接开始第⼆条指令的操作，运算单元也是。
这样就形成了流⽔线系统，这是⼀条2级流⽔线。
如果是⼀个超标量系统，假设有三个指令控制单元和两个运算单元，那么就可以在完成了第⼀条指令的取址⼯作后直接开始第⼆条指令的取址，这时第⼀条指令在进⾏译码，然后第三条指令取址，第⼆条指令译码，第⼀条指令取操作数……这样就是⼀个5级流⽔线。
很显然，5级流⽔线的平均理论速度是不⽤流⽔线的4倍。
流⽔线系统最⼤限度地利⽤了CPU资源，使每个部件在每个时钟周期都⼯作，⼤⼤提⾼了效率。
但是，流⽔线有两个⾮常⼤的问题：相关和转移。
在⼀个流⽔线系统中，如果第⼆条指令需要⽤到第⼀条指令的结果，这种情况叫做相关。
以上⾯哪个5级流⽔线为例，当第⼆条指令需要取操作数时，第⼀条指令的运算还没有完成，如果这时第⼆条指令就去取操作数，就会得到错误的结果。
所以，这时整条流⽔线不得不停顿下来，等待第⼀条指令的完成。
这是很讨厌的问题，特别是对于⽐较长的流⽔线，⽐如20级，这种停顿通常要损失⼗⼏个时钟周期。
⽬前解决这个问题的⽅法是乱序执⾏。
乱序执⾏的原理是在两条相关指令中插⼊不相关的指令，使整条流⽔线顺畅。
⽐如上⾯的例⼦中，开始执⾏第⼀条指令后直接开始执⾏第三条指令（假设第三条指令不相关），然后才开始执⾏第⼆条指令，这样当第⼆条指令需要取操作数时第⼀条指令刚好完成，⽽且第三条指令也快要完成了，整条流⽔线不会停顿。
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
高性能计算中的流水线技术分析(四)
高性能计算中的流水线技术分析近年来，计算机科学和技术领域发展迅猛，高性能计算成为了许多领域的研究热点。
在高性能计算中，流水线技术被广泛应用于提高计算机的性能和效率。
本文将重点分析高性能计算中的流水线技术，并探讨其优点和应用。
一、流水线技术的基本原理流水线技术是一种通过将任务拆分为多个子任务，并且这些子任务同时进行，以提高计算机的整体性能的方法。
其基本原理是将任务分解为多个子任务，并将这些子任务分别交由不同的硬件单元处理。
每个子任务的处理时间约等于一个硬件操作完成的时间，这样可以使得整个任务的完成时间明显缩短。
二、流水线技术的优点1. 提高计算机的吞吐量：流水线技术将一个任务分解为多个子任务，每个子任务由不同的硬件单元处理，使得不同任务的执行可以重叠，从而提高了计算机的吞吐量。
2. 增加计算机的并行性：流水线技术充分发挥了硬件单元的并行能力，使得不同的计算单元可以同时处理不同的任务，从而提高了计算机的并行性。
3. 提高计算机的资源利用率：流水线技术使得计算机的各个硬件单元可以在同一时刻处理不同的任务，减少了硬件资源的闲置时间，提高了计算机的资源利用率。
4. 减少任务延迟：流水线技术将任务拆解为多个子任务后，每个子任务可以立即开始执行，从而减少了任务的延迟时间。
三、流水线技术在高性能计算中的应用1. 高性能计算机的体系结构中广泛应用了流水线技术。
例如，在超级计算机中，将计算任务分解为多个子任务，并将这些子任务分别交由不同的处理单元处理，以提高计算机的整体性能和计算速度。
2. 流水线技术在图像和视频处理中也得到了广泛应用。
图像和视频处理通常需要对数据进行多次处理，而流水线技术可以将数据处理过程拆解为多个子任务，并采用不同的处理单元分别处理。
这样可以提高图像和视频处理的速度和效率。
3. 在大规模数据处理和分析中，流水线技术可以将数据处理过程拆解为多个子任务，不同的处理单元同时进行数据处理，从而加快数据处理和分析的速度。
3-2 流水线技术
IF
ID
IF
EX
MEM
WB
IF ID IF EX ID IF MEM EX ID IF WB MEM EX ID WB MEM EX
stall stall
3、控制冲突
由分支指令引起的延迟称为分支延迟。 分支指令在目标代码中出现的频度很高，性能 损失很大。
据统计，每3～4条指令就有一条是分支指令。 假设：分支指令出现的频度是30％， 流水线理想 CPI＝1， 那么：流水线的实际 CPI ＝ 1.9。系统性能损失将 近50%！
分支指令 分支目标指令 分支目标指令+1 分支目标指令+2 分支目标指令+3 IF ID IF EX MEM WB IF ID IF EX ID IF MEM EX ID IF WB MEM EX ID WB MEM EX
stall stall
简单处理分支指令：分支失败的情况
分支指令
分支后继指令 分支后继指令+1 分支后继指令+2 分支后继指令+3
将计算结果写入R1
6
7
8
9
MEM WB EX MEM ID IF EX ID IF
WB MEM WB EX MEM WB ID EX MEM
读R1
WB
（1）数据相关冲突的3种类型
根据指令读访问和写访问的顺序，可以将数据 冲突分为3种类型： 考虑两条指令i和j ，且i在j之前进入流水线， 可能发生的数据冲突有：
写后读冲突（RAW）：在 i 写入之前，j 先去读。
j 读出的内容是错误的。这是最常见的一种数据
冲突，它对应于真数据相关。
数据相关冲突的3种类型
写后写冲突（WAW）：在 i 写入之前，j 先写。最
流水线操作规程
流水线操作规程
《流水线操作规程》
1. 确保设备安全：在操作流水线之前，需要对设备进行检查，确保设备运行正常、无故障，并且符合安全操作标准。
2. 穿戴防护用具：操作人员需要穿戴好相应的防护用具，包括手套、安全鞋、护目镜等，以确保在操作过程中不受到伤害。
3. 精准操作：在操作流水线时，需要按照规程进行精准操作，不得随意更改操作流程或过程，以免引起不必要的事故发生。
4. 及时维护保养：在操作过程中，如果发现设备有异常情况，需要立即停止操作，通知维修人员进行维护保养。
5. 安全出产：在操作流水线期间，需保持清醒、注意力集中，严防操作失误，确保出产安全。
6. 管理监督：在操作流水线时，需要受到管理人员的监督和指导，严格按照规程进行操作，不得擅自做出决定。
7. 紧急处理：在发生紧急情况时，需要立即停止操作，按照紧急处理流程进行处理，并且通知相关人员和部门。
8. 记录填写：在操作结束后，需要对操作过程进行记录填写，包括设备运行情况、操作人员信息等，以便后续追溯和管理。
总之，《流水线操作规程》是对流水线操作的一系列规范和要求，确保在操作过程中能够安全高效地进行生产。
操作人员要严格遵守规程，不得擅自操作，以确保设备运行和人员安全。
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
高性能计算中的流水线技术分析(三)
在高性能计算中，流水线技术是一种重要的优化手段，可以提高计算效率和性能。
本文将从流水线技术的基本原理、流水线相关的问题以及流水线技术的应用等几个方面进行分析。
1. 流水线技术的基本原理流水线技术是将一项复杂的任务分解为多个子任务，并将它们分别在不同的处理阶段进行处理，从而实现并行计算。
流水线中的每个阶段都有专门的功能和任务，每个阶段的输出作为下一个阶段的输入，形成了一条流水线的运行模式。
流水线技术的基本原理是时间重叠和空间共享。
通过将一个任务划分为多个阶段，在每个阶段的同时进行处理，可以充分利用硬件资源，加快计算速度。
同时，由于每个阶段的处理结果会在下一个阶段使用，可以保持计算流程的连续性，提高整体性能。
2. 流水线相关的问题尽管流水线技术可以提高计算效率，但也存在一些问题需要解决。
首先是数据依赖性问题，即某个阶段的计算结果依赖于前面阶段的计算结果。
一旦前面的计算结果尚未完成，后续的计算就无法进行，从而导致流水线停顿，降低了整体性能。
此外，流水线中的每个阶段都需要有足够的处理时间，否则就会出现阶段饱和的情况。
而某些任务可能会引起阶段的处理时间不均匀，从而导致流水线的性能下降。
3. 流水线技术的应用流水线技术在高性能计算中有着广泛的应用，尤其是在图像处理、模拟计算、数据压缩等领域。
以图像处理为例，流水线可以将图像的不同处理任务划分为多个阶段，从而实现并行计算，提高图像处理的速度和效率。
此外，在模拟计算中，流水线技术可以将复杂的数值计算过程分解为多个阶段，并分别在不同的处理器上进行计算，从而实现并行计算，提高计算效率。
在数据压缩方面，流水线技术可以将压缩的不同处理步骤划分为多个阶段，每个阶段负责一个处理步骤，从而加快数据压缩的速度。
总之，流水线技术作为一种重要的优化手段，在高性能计算中发挥着重要作用。
通过合理地使用流水线技术，可以提高计算效率和性能，进而满足不同领域对计算速度和效率的需求。
对流水线技术的进一步研究和改进，有助于更好地发挥高性能计算的潜力，推动科学技术的发展。
纺织厂自动流水线操作规程
纺织厂自动流水线操作规程
《纺织厂自动流水线操作规程》
一、操作人员必须穿戴好工作服和安全帽，严格按照操作规程进行操作。
二、在操作前必须对设备进行周全的检查，确保设备良好无损。
如有异常情况需立即报告维修人员。
三、操作人员需对设备操作界面和控制台的功能进行熟悉，确保能熟练掌握相关操作技能。
四、操作时需将注意力集中在设备运行状态上，随时准备处理设备异常情况。
五、禁止随意改变设备设定参数，如需更改必须得到主管或技术人员的授权。
六、在操作自动流水线时，注意避免发生卡塞、阻塞等现象，确保生产线的顺畅运行。
七、对于设备的清洁和维护工作，操作人员需按照规定的程序和要求进行，不得擅自停止或改动设备。
八、在操作过程中如发现有异响、异味、异常振动等情况，需立即停机检查，排除故障后方可继续运行。
九、处理异常情况时需及时向主管或技术人员报告，并按照相关程序进行处理。
十、对于自动流水线的停机和开机操作，必须严格按照规定程序进行，避免因错误操作导致设备损坏或生产事故。
以上是关于纺织厂自动流水线操作规程的相关内容，操作人员必须严格遵守，确保设备的安全运行和生产工作的顺利进行。
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第十一讲流水线操作技术
一、流水线操作
二、延迟分支转移的流水线图
三、条件招待指令的流水线图：
四、双寻址存储器的流水线冲突
五、流水线的冲突问题
指令字、单字指令、双字指令、多字指令：
指令字：表征指令的二进制代码，由操作码和操作数组成
单字指令：由16位二进制代码表示的指令（1个字）
双字指令：由32位二进制代码表示的指令（2个字）
多字指令：由n*16位二进制代码表示的指令（n个字）
说明：
1）执行一条单字指令至少需要1个指令周期（6个机器周期）
2）执行一条双字至少指令需要2个指令周期
3）程序执行时只能依次取出一个指令字，不能同时取出两个指令字
1）一般在一条指令中操作码占8位，其余为操作数位
2）若操作数不超过8位则为单字指令，否则为双字指令或多字指令3）立即数寻址为单字（立即数为3、5、8位），双字（9、16位）4）绝对地址寻址为双字指令
5）累加器寻址为单字（*ARx)或双字(#lk)指令
6）直接寻址为单字指令
7）间接寻址为单字指令
9）存储器映象寄存器寻址为单字指令
10）堆栈寻址为单字指令
双操作数间接寻址的指令格式：单字指令
机器周期、指令周期、
1个机器周期
1个指令周期
基于流水线的存储器访问：
二、延迟分支转移的流水线图：
取出要转移的
地址完成转移
知道要转移得到转移的地址将要转移的地址加载PAB
执行转移只需2个周期
实现转移
浪费2个周期
开始执行转移
实际使用4个周期
1）被冲洗掉的两个单周期指令并不占用转移后指令的执行阶段，它们刚好是在各级错开的。
2）在6级流水线中执行双字分支转移转移指令必须要4个机器（即4个指令周期）周期才能完成，在满流水线中执行相当于只占用2个指令周期（机器周期），另外2个周期可用于完成两条单周期指令或一条双周期指令的执行。
3）采用延迟分支转移指令可利用转移指令后的两个周期，即在延迟分支转移指令后安排两条单周期或一条双周期指令，该指令不能是分支或重
复指令。
4）具有延迟操作功能的指令有：
BD FBD BACCD FBACCD BANZD CALLD CALLD FCALLD FCALLD RETD FRETD RETED FRETED RETFD FRETD CCD RCD
例3-9 在完成R=（x+y)*z操作后转移至next r的程序段有两种编写方式：
利用普通分支转移指令B
LD @ x , A
ADD @ y , A
STL A , @ s
LD @ s , T
MPY @ z , A
STL A , @ R
B next
共8个指令字，10个指令周期利用延迟分支转移指令BD LD @ x , A
ADD @ y , A
STL A , @ s
LD @ s , T
BD next
MPY @ z , A
STL A , @ R
共8个指令字，8个指令周期
利用普通分支转移指令B LD @ x , A ADD @ y , A
STL A , @ s
LD @ s , T MPY @ z , A
STL A , @ R
B next
共8个指令字，10个指令周期LD @ x , A
ADD @ y , A
STL A , @ s
LD @ s , T
MPY @ z , A
STL A , @ R
B next
完成转移
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
LD @ x , A
ADD @ y , A
STL A , @ s
LD @ s , T
MPY @ z , A
STL A , @ R
BD next
完成转移
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
利用延迟分支转移指令BD LD @ x , A ADD @ y , A STL A , @ s LD @ s , T BD next MPY @ z , A STL A , @ R 共8个指令字，8个指令周期
三、条件招待指令的流水线图：
条件招待指令：XC n , cond [ , cond , [ ,cond ]]
求解条件决定后面
指令是否执行
1）条件执行指令是一条单字单周期指令，比条件跳转指令快。
2）条件在XC指令进入执行阶段的前两个周期已经求解出来，如果在这之后到执行前改变条件（如发生中断），将会造成无法预期的结果，所以要尽国避免在XC指令执行前两个周
期改变所规定的条件。
四、双寻址存储器的流水线冲突：
1。
C54x片内的双寻址存储器（DARAM）分成若干独立的存储器块，允许CPU在单个周期内对其进行两次访问，包括三种情况：
1）在单周期内允许同时访问DARAM的不同块，不会带来时序上的冲突；
2）当流水线中的一条指令访问某一存储器块时，允许流水线中处于同一级的另一条指令访问另一存储器块，不会带来时序上的冲突；
3）允许处于流水线不同级上的两条指令同时访问同一个存储器块，不会带来时序上的冲突。
2。
CPU能够在单周期内对DARAM进行两次访问，是利用一次访问中对前、后半个周期分时进行的缘故，具体为：
对PAB/PB取指利用前半周期
对DAB/DB读取第一个数据利用前半周期
对CAB/CB读取每二个数据利用后半周期
对EAB/EB将数据写存储器利用后半周期
3）如果CPU同时访问DARAM的同存储器块时就会发生时序上的冲突：
1）同时从同一存储器块取指和取操作数（都有在前半个周期）
2）同时对同存储器块进行写操作和读第二个操作数（都在后半个周期）
上述两种冲突CPU将通过自动插入一个空闲周期或将写操作延迟一个周期的办法解决。
Dual-Access Memory and the Pipeline DARAM Blocks
Half-Cycle Accesses to Dual-Access Memory
读*AR2
五、流水线的冲突问题：
1。
冲突存在方面：
1）同时访问同一存储器空间的冲突；
2）读、写同一存储器单元在时序上的颠倒，导致读数错误。
2。
对流水线冲突的解决方法：
1）插入等待周期（人工插入、编译时自动插入）
自动插入只能解决明显的同时访存冲突
隐含的时序错乱只能人工插入
2）编程序时全理安排指令的先后顺序
3）用C语言编写程序
4）对其内容不经常变动的存储器映象寄存器早安排初始化的写操作 5）利用等待周期插入所需的等待周期
五、解决流水线冲突的例子：
1。
采用保护性写操作解决流水线冲突
STM A ， AR1
LD *AR1 ， B
W N
写到AR1将AR1中数据放DAB 时序错乱，AR1中内容
还没有来得及改变STM #lk ， AR1LD *AR1 ， B
W #lk N
保护性写操作，立即译码后马上写到AR1，（写提前一周期）双字指令
隐含周期
采用保护性写操作使写AR1提前一周
期，改用双字指令插入一隐含周期，
则读AR1延迟一周期，结果W 比N 早
一周期
2。
通过插入NOP 解决流水线冲突：STLM A ， AR0W #10
W W STM #10 ， AR1
LD *AR1 ， B 双字指令单字指令单字指令自动插入等待周期解决
N
写AR1
读AR1放DAB 存在时序错乱问题STLM A ， AR0
STM #10 ， AR1NOP LD *AR1 ， B W
W
N
通过插入一空操作
使读AR1延迟一周
期，在写AR1之后
3。
用等待周期表解决流水线冲突问题：
根据指令特点查等待周期表得到所需插入的空操作个数自已看书。