《计算机体系结构之流水线技术》
计算机体系结构优化方法
计算机体系结构优化方法随着科技的不断发展和计算机应用范围的不断扩大，人们对于计算机性能的需求也越来越高。
计算机体系结构是计算机硬件与软件之间的桥梁，它的设计和优化对提高计算机性能至关重要。
本文将介绍几种常见的计算机体系结构优化方法。
一、流水线技术流水线技术是一种可以同时执行多个指令的技术，它能够充分利用计算机硬件资源，提高计算机的执行效率。
在流水线技术中，计算机的处理过程被划分为多个阶段，每个阶段执行不同的指令。
通过将多个指令交错执行，可以大幅度提高计算机的吞吐量。
同时，流水线技术还能降低处理器的时钟周期，提高计算机的工作频率。
二、超标量技术超标量技术是一种可以同时执行多条指令的技术，它可以通过在一个时钟周期内执行多个指令来提高计算机的执行效率。
在超标量技术中，计算机可以同时从指令流中提取多个指令并执行，而不是依次执行指令。
通过并行执行多条指令，超标量技术可以显著提高计算机的性能。
为了实现超标量执行，计算机需要有多个功能单元和多个寄存器，以支持多条指令的并行执行。
三、向量处理器技术向量处理器技术是一种可以同时处理多个数据元素的技术，它能够将一条指令应用于多个数据元素，从而提高计算机的处理速度。
在向量处理器技术中，计算机可以将多个数据元素存储在向量寄存器中，并通过单条指令同时对多个数据元素进行操作。
与传统的标量处理器相比，向量处理器可以在一个时钟周期内执行更多的计算操作，从而提高计算机的性能。
目前，向量处理器技术已经广泛用于科学计算、图形处理等领域。
四、并行计算技术并行计算技术是一种通过同时使用多个处理器来执行任务的技术，它能够显著提高计算机的计算速度。
在并行计算技术中，计算机可以将一个任务分解成多个子任务，并由多个处理器并行执行。
通过充分利用多个处理器的计算能力，计算机可以在更短的时间内完成任务。
并行计算技术在科学计算、数据分析等领域有着广泛的应用。
结论计算机体系结构优化方法的发展，不仅可以提高计算机的性能和效率，还可以推动计算机技术的发展和进步。
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。
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
计算机体系结构L5_CA流水线和向量处理机
计算机体系结构
北理工计算机学院
6
一次重叠执行方式
一种最简单的流水线方式 每次只重叠执行两条指令，故称为一次重叠 特点：在第K条指令完成之前就开始处理第
K+1条指令（重叠执行两条指令）
取指k 分析k 执行k 取指k+1 分析k+1 执行k+1 取指k+2 分析k+2 执行k+2
如果三个过程的时间相等，都为t，则执行n 条指令的时间为：T=(1+2n)t
计算机体系结构
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先行指令缓冲站
先行程序计数器 PC1
主
存 控
指令 缓冲
制 器
存储 区
控 制逻辑
现行程序计数器 PC
指令分析部件
指令寄存器 IR
先行指令缓冲站的组成
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先行指令缓冲站
指令缓冲存储区和相应的控制逻辑
按队列方式工作。 只要指令缓冲站不满，它就自动地向主存控制器发取指令请求，不断
取指k
分析k 执行k 取指k+1 分析k+1 执行k+1
取指k+2 分析k+2 执行k+2
如果三过程的时间相等，执行n条指令的 时间为：T=(2+n)t
采用二次重叠执行方式能够使指令的执行时 间缩短近三分之二。
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9
二次重叠执行方式
部件
执行
k k+1 k+2
分析
k k+1 k+2
计算机体系结构
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例题解答
计算机体系结构流水线与并行处理的测试
计算机体系结构流水线与并行处理的测试计算机体系结构的不断发展和演进使得计算机的性能有了极大的提升。
在这个过程中，流水线技术和并行处理技术被广泛应用于计算机体系结构设计中，以实现更高效和快速的计算能力。
然而，为了确保计算机体系结构的正确性和稳定性，对流水线和并行处理的系统进行测试显得尤为重要。
一、流水线的测试流水线技术是指将一条指令的执行分为多个阶段，不同阶段可以并行运行，从而提高处理指令的速度。
在流水线中，存在着各种可能的冲突，例如结构冲突、数据冲突和控制冲突。
为了测试流水线，必须充分考虑这些冲突，并设计相应的测试用例。
结构冲突是由于多个操作共享同一资源导致的问题，例如多个指令同时访问同一个存储器单元。
为了测试结构冲突，可以设计多个操作并发执行，观察是否会发生资源竞争的情况。
数据冲突是由于后续指令需要依赖前面指令的结果而导致的问题，例如后一条指令需要使用前一条指令的运算结果。
为了测试数据冲突，可以设计一系列需要数据依赖的指令，观察数据是否能够正确传递和处理。
控制冲突是由于分支指令的执行而导致的问题，例如跳转指令会改变程序的执行流程。
为了测试控制冲突，可以设计各种不同的分支情况，观察分支指令是否能够正确地改变程序的执行路径。
二、并行处理的测试并行处理技术是指同时运行多个处理器来执行多个指令或任务，以提高整个系统的并行计算能力。
对于并行处理系统的测试，需要充分考虑并行计算的正确性、性能和可扩展性。
对于并行计算的正确性测试，可以设计一系列的并行任务，观察是否能够正确执行和得到预期的结果。
同时，还需要测试并行任务之间的通信和同步机制，以确保数据能够正确地传递和协调。
对于并行计算的性能测试，可以通过设计大规模的并行任务或者重复执行同一个任务来评估计算系统的性能。
观察计算系统的并行效率、加速比和负载平衡等指标，以评估并行处理的性能提升程度。
对于并行计算的可扩展性测试，可以通过逐步增加处理器数量或者增加任务规模来观察系统的扩展性能力。
计算机体系结构流水线冲突与乱序执行的解决方法
计算机体系结构流水线冲突与乱序执行的解决方法在计算机体系结构中，流水线是一种有效提高指令处理速度的技术。
然而，流水线执行过程中可能会出现冲突和乱序执行的问题。
本文将探讨流水线冲突的原因以及相应的解决方法。
一、流水线冲突的原因在流水线中，冲突主要由以下几个因素引起：1. 结构冲突：当多个指令需要同时访问同一个计算资源，比如存储器或者寄存器时，产生结构冲突。
这会导致流水线阻塞，降低执行效率。
2. 数据冲突：数据相关性是指指令间存在的数据依赖关系。
当某个指令需要等待上一条指令的执行结果时，就会发生数据冲突。
数据冲突分为读后写、写后读和写后写三种类型。
3. 控制冲突：当分支指令的判断结果还未确定时，指令执行流程可能发生改变。
这会导致原本在流水线中已经执行的指令无效，需要清空掉重新执行，造成控制冲突。
二、解决结构冲突的方法针对结构冲突，可以采取以下几种解决方法：1. 资源冲突解决：通过增加计算资源的数量来解决结构冲突。
比如增加缓存的容量、加大寄存器的数量等。
这样可以减少多个指令竞争同一资源的情况。
2. 指令重排解决：在源代码级别上进行指令重排，通过调整指令的顺序来避免结构冲突。
这一般需要编译器的支持，通过静态分析源代码并进行优化。
三、解决数据冲突的方法对于数据冲突，有以下几种解决方法：1. 数据旁路解决：当一个指令需要等待上一条指令的执行结果时，可以通过数据旁路的方式将上一条指令的结果直接传递给下一条指令，避免流水线的停顿。
2. 数据预测解决：对于分支指令引起的数据冲突，可以采用数据预测的方法来预测分支的结果。
如果预测正确，可以顺利执行；如果预测错误，则需要清空流水线并重新执行。
四、解决控制冲突的方法针对控制冲突，可以采取以下几种解决方法：1. 预测解决：通过对分支指令进行预测，尽可能准确地预测分支结果，从而减少控制冲突。
常用的预测方法有静态预测和动态预测。
2. 延迟解决：在流水线中引入延迟槽，即在分支指令后面放置几条无关紧要的指令，以填充流水线的空闲时间。
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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）
不同指令所进行的操作不同：
存储器访问指令 ALUo←A + Imm
操作
寄存器－寄存器ALU指令 ALUo←A func B
操作
寄存器－立即值ALU指令 ALUo←A op Imm
3 流水线技术
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
实现DLX指令的一种简单数据通路
MIPS的基本流水线
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）
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
Memory Write Access Back
L M D
2 流水线分类
流水线的分类（1）
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
流水线的分类（2）
按流水线在同一时间内各段的连接方式分类
操作
动画演示
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ的分类（3）
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）：
把指令的解释执行过程按照流水方式进行处理。
四人衣物一共要花 4*（30+40+20）=360分钟
流水线的基本概念
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
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
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
流水线的特点
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
流水线的分类（5）
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）
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。
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
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）
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)
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。
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。
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
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