第10章流水线技术
第九章流水作业法
✓分别流水作业法
施工对象包含若干个施工过程，或相同施工过 程的施工方法，施工期限不同时，各个施工过程按 流水段法或流水线法组成独立流水，然后在按照施 工工序的逻辑关系依次接入形成完整的施工对象流 水。
二、流水作业参数
流水作业参数：用于反映各个施工过程在工艺 流程、空间布置和时间安排等方面的状态和相互 关系的参数。
3、计算各施工过程的流水节拍ti
依据成倍节拍流水特点，用式（9-3）~（9-6） 计算流水节拍的数值ti，调整流水强度，使各个流 水节拍ti值之间存在整数倍关系。
4、计算流水步距K
成倍节拍流水流水步距K为各施工过程流水节 拍ti值的最大公约数（非1）
5、计算各施工过程的专业施工队数bj和专业施工 队总数n1：
挖土
砌基础
②
砌墙身
②
回填土
②
四、应用示例
某项工程的施工依次为由A、B、C、D四 道工序组成，划分为两个施工层组织全等节 拍流水施工。工序B完成后需养护并进行检 测，4天后C工序才能施工，施工层之间的技 术间歇为2d ，各工序的流水节拍为2d。试 确定施工段数，计算总工期，绘制施工进度 图。
解：已知n=4，t=2，r=2，∑Z1 =4，Z2=2。 （1）确定流水步距K， 等节拍流水，各工序ti=2，ti=K=2. (2)确定施工段数m，
➢ 工程项目流水：又称大流水或群体工程流水， 是若干个相互关联的单位工程之间组织起来的流水， 最终完成一个工程项目的施工任务。
2、流水作业的基本形式
✓流水段法
将施工对象在平面上划分成若干段落，各段的施 工过程相同，主要工程数量和所需劳动力资源基本 相等。多适用于集中工程。
✓流水线法
根据施工对象的工程特点和施工技术方案，组织 若干个在工艺上密切联系的专业施工按工序的连接 关系相继投入施工，各专业队以某一固定的施工速 度推进。适用于线性工程中的分项工程和分部工程。
EDA第10章
其输入输出如下所示： 其输入输出如下所示： 输入x： 输入 ：000 101 010 110 111 101 111 110 101 输出z： 输出 ：000 000 000 000 000 100 001 110 000
有限状态机（FSM） 有限状态机（FSM）设计
“1111”序列检测器 序列检测器 状态转换图
“1111”序列检测器 1111”序列检测器
module fsm_seq(x,z,clk,reset,state); input x,clk,reset; output z; output[2:0] state; reg[2:0] state; reg z; parameter s0='d0,s1='d1,s2='d2,s3='d3,s4='d4; always @(posedge clk) begin if(reset) begin state<=s0;z<=0; end else casex(state) s0: begin if(x==0) begin state<=s0; z<=0; end else begin state<=s1; z<=0; end end s1: begin if(x==0) begin else begin end s2: if(x==0) begin else begin end s3: if(x==0) begin else begin end s4: if(x==0) begin else begin end default: endcase end endmodule state<=s0; z<=0; end state<=s2; z<=0; end begin state<=s0; z<=0; end state<=s3; z<=0; end begin state<=s0; z<=0; end state<=s4; z<=1; end begin state<=s0; z<=0; end state<=s4; z<=1; end state<=s0;
流水线
第一章1.流水生产：是劳动对象按照一定的工艺过程顺序的通过各个工作地，并按统一的节拍完成工序作业的连续的重复的生产。
2.流水生产的特征：工作地专业化程度较高，每个工作地只固定完成一道或少数后道工序；生产具有明显的节奏性；流水线上各工序之间的生产能力是平衡的，成比例的；工艺过程是封闭的；工作地按照工艺顺序排列，劳动对象如同流水一样从一个工作地转移到另一个工作地。
3.组织流水生产的条件：产品结构和工艺相对稳定；工艺过程能划分为简单的工序，有能根据同期化的要求把某些工序适当合并和分解，各工序的工时不能相差过大；制品的产量足够大，单位劳动量也较大，以保证流水线各工作地正常的负荷；厂房建筑和生产面积容许安装流水线的设备、工艺装备和运输传送装置。
4.流水线的基本形式：按生产对象的移动方式：固定和移动流水线；按生产对象的数目：单一品种和多品种流水线；按对象的轮换方式：不变、可变和混合流水线；按生产的连续程度：连续和间断流水线；按流水线所达到节奏性程度不同：强制、自由和粗略节拍流水线；按流水线的机械化程度：手工和自动流水线。
5.流水线组织设计一般经历的过程：流水线节拍的确定；设备需要量和设备负荷系数的计算；工序同期化；人员配备；生产对象传送方式的设计；流水线平面布置设计；流水线工作制度、服务组织和标准计划图表的制定等等；流水线技术经济评价。
6.流水线组织设计的准备工作：进行产品零件的分类；改进产品结构；提高产品的工艺性；审查工艺规程；收集整理设计所需资料。
第二章1.节拍：流水线上出产相邻两件制品的间隔时间。
2.节奏：流水线上出现两个运输批量之间的时间间隔（节奏=节拍*运输批量）。
3.周期时间：反应流水线的生产速度，以生产一件产品所需要的时间来表示(可大于、等于或小于节拍)。
4.节距时间：流水线流过两个相邻工作站的时间（一般取节距=周期时间）。
5.嫁动时间：去除无效时间之后的时间。
6.嫁动率：嫁动时间占生产线工作时间的比率。
西安交大-计算机系统结构复习提纲(可打印)
1. 开发 ILP 的两种方法 硬件动态，软件静态
2. 流水线中的调度策略 集中式调度、分布式调度 动态调度——乱序 Tomasulo 算法 分布式检测：重命名（换名）
3. 动态分支预测 针对控制相关，由硬件处理， 分支历史表 BHT——历史状态， 分支目标缓冲器 BTB——历史目标地址
5. 指令结构功能设计 CISC 机：三个目标优化 （也反映了编译，操作系统和系统结构的关系） 面向目标程序、面向高级语言、面向操作系统
RISC 机： 导致 RISC 机产生的缘由； （2-8 定理；控制器负责；不易纠错修改） 设计 RISC 机遵循的基本原则；
三、计算与设计
1. 指令格式设计 2. 指令格式的优化
延迟转移技术（延迟槽） 9. 流水线中的中断处理
不精确断点、精确断点 10. 向量处理机
向量数据表示，向量指令 向量处理方式
三、计算与设计
1. 时空图 2. 性能分析 3. 非线性流水线最小平均启动时间
第四章：指令级并行
一、基本概念——名词
超标量，超流水，动态调度，静态调度，超长指令字，保留站，Tomasulo 算法，ILP，BHT， BTB，ROB，前瞻执行（先执行再确认）
计算机系统结构是机器语言程序员或编译程序编写者所看到的外特性。所谓外特性，就 是计算机的概念性结构和功能特性。
（还有一个系统结构定义，这是由于存在计算机系统层次结构，不同的人看到不同的计 算机结构） 2. 计算机系统结构、组成与实现的三者关系：
系统结构——存在某个部件 计算机组成——罗技实现，门一级实现 计算机实现——物理实现，器件一级实现
第三章：流水线技术
一、基本概念——名词
先行控制，流水线，单功能流水线，标量流水线，重定向，分支预取，专用通道，无冲突调 度方法，冲突向量，启动距离，性能分析，时空图，缓冲技术，预处理等
第10章 生产作业计划
(3)生产能力方面。厂房生产面积、设备数量及其完好率、设备停修计划，分工种 工人的数量及技术等级，工（台）时定额及压缩系数。
(4)生产准备方面。原材料、外购件、外协件、工装器具等的供应及库存情况。 (5)上期计划的执行情况的统计分析资料。品种、规格、数量、质量、配套完成情 况、在制品结存情况，设备利用率、工时利用率、工人出勤率等。 (6)企业的流动资金状况。
一般取一个班，二分之一个班或四分之一个班的时间为看管周期。
管理工程学院
(2)确定看管周期内各工作地的产量及工作地（设备）负荷。 1)根据各道工序的单件加工时间ti和流水线的生产节拍r，确定各工序的设备(工 作地)数。
若
t i r ，则Si=1;
ti 〕 r
若ti>r，则Si=〔
6 2
7 6
8 3
9 5
10 5
11 4
2 2
6
图10-2 工步顺序图
管理工程学院
第一步，列出所有可作为第一工序的编组方案，有以下两个方案： 方案1-1{①，②，⑤} 方案1-2{①，②，⑥} t11=6+2+1=9 t12=6+2+2=10
分别计算这两个方案的工序时间和Ski值 T=6+2+5+7+1+2+6+3+5+5+4=46
计算各方案的Sk2值和t2值 46 (10 6) Sk 21 2 5 10 46 (10 8) Sk 22 2 5 10 46 (10 8) Sk 23 2 5 10 因为Sk21=Sk22=Sk23，t22>t23>t21，所以，第二工序的分支节点，应在方案2-2的节 点进行分支。
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
《DSP原理及应用(修订版)》邹彦主编课后答案(个人终极修订版)
第一章1、数字信号处理实现方法一般有几种？答：课本P2（2.数字信号处理实现）2、简要地叙述DSP 芯片的发展概况。
答：课本P2（1.2.1 DSP 芯片的发展概况）3、可编程DSP 芯片有哪些特点？答：课本P3（1.2.2 DSP 芯片的特点）4、什么是哈佛结构和冯诺依曼结构？他们有什么区别？答：课本P3-P4(1.采用哈佛结构）5、什么是流水线技术？答：课本P5（3.采用流水线技术）6、什么是定点DSP 芯片和浮点DSP 芯片？它们各有什么优缺点？ 答：定点DSP 芯片按照定点的数据格式进行工作，其数据长度通常为16位、24位、32位。
定点DSP 的特点：体积小、成本低、功耗小、对存储器的要求不高；但数值表示范围较窄，必须使用定点定标的方法，并要防止结果的溢出。
浮点DSP 芯片按照浮点的数据格式进行工作，其数据长度通常为32位、40位。
由于浮点数的数据表示动态范围宽，运算中不必顾及小数点的位置，因此开发较容易。
但它的硬件结构相对复杂、功耗较大，且比定点DSP 芯片的价格高。
通常，浮点DSP 芯片使用在对数据动态范围和精度要求较高的系统中。
7、DSP 技术发展趋势主要体现在哪些方面？答：课本P9（3.DSP 发展技术趋势） 8、简述DSP 系统的构成和工作过程。
答：课本P10（1.3.1DSP 系统的构成） 9、简述DSP 系统的设计步骤。
答：课本P12（1.3.3DSP 系统的设计过程） 10、DSP 系统有哪些特点？答：课本P11（1.3.2DSP 系统的特点）11、在进行DSP 系统设计时，应如何选择合理的DSP 芯片？答：课本P13（1.3.4DSP 芯片的选择）12、TMS320VC5416-160的指令周期是多少毫秒？它的运算速度是多少MIPS ？ 解：f=160MHz ，所以T=1/160M=6.25ns=0.00000625ms ；运算速度=160MIPS第二章1、TMS320C54x 芯片的基本结构都包括哪些部分？答：课本P17（各个部分功能如下）2、TMS320C54x 芯片的CPU 主要由几部分组成？答：课本P18（1.CPU)3、处理器工作方式状态寄存器PMST 中的MP/MC 、OVLY 和DROM3个状态位对’C54x 的存储空间结构有何影响？答：课本P34（PMST 寄存器各状态位的功能表）4、TMS320C54x 芯片的内外设主要包括哪些电路？答：课本P40（’C54x 的片内外设电路）5、TMS320C54x 芯片的流水线操作共有多少个操作阶段？每个操作阶段执行什么任务？完成一条指令都需要哪些操作周期？答：课本P45（1.流水线操作的概念）6、TMS320C54x 芯片的流水线冲突是怎样产生的？有哪些方法可以避免流水线冲突？ 答：由于CPU 的资源有限，当多于一个流水线上的指令同时访问同一资源时，可能产生时序冲突。
嵌入式系统设计教程(第2版)简答题答案.pdf
第一章嵌入式系统概论1.嵌入式系统的定义是什么？答：以应用为中心，以计算机技术为基础，硬件、软件可裁剪，功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。
2.简述嵌入式系统的主要特点。
答：（1）功耗低、体积小、具有专用性（2）实时性强、系统内核小（3）创新性和高可靠性（4）高效率的设计（5）需要开发环境和调试工具3. 嵌入式系统一般可以应用到那些领域？答：嵌入式系统可以应用在工业控制、交通管理、信息家电、家庭智能管理系统、网络及电子商务、环境监测和机器人等方面。
4. 简述嵌入式系统的发展趋势答：（1）嵌入式应用的开发需要强大的开发工具和操作系统的支持（2）连网成为必然趋势（3）精简系统内核、算法，设备实现小尺寸、微功耗和低成本（4）提供精巧的多媒体人机界面（5）嵌入式软件开发走向标准化5.嵌入式系统基本架构主要包括那几部分？答：嵌入式系统的组织架构是由嵌入式处理器、存储器等硬件、嵌入式系统软件和嵌入式应用软件组成。
嵌入式系统一般由硬件系统和软件系统两大部分组成，其中，硬件系统包括嵌入式处理器、存储器、I/O系统和配置必要的外围接口部件；软件系统包括操作系统和应用软件。
6.嵌入式操作系统按实时性分为几种类型，各自特点是什么？答：（1）具有强实时特点的嵌入式操作系统。
（2）具有弱实时特点的嵌入式操作系统。
（3）没有实时特点的嵌入式操作系统。
第二章嵌入式系统的基础知识1.嵌入式系统体系结构有哪两种基本形式？各自特点是什么？答：冯诺依曼体系和哈佛体系。
冯诺依曼体系结构的特点之一是系统内部的数据与指令都存储在同一存储器中，其二是典型指令的执行周期包含取指令TF，指令译码TD，执行指令TE，存储TS四部分，目前应用的低端嵌入式处理器。
哈佛体系结构的特点是程序存储器与数据存储器分开，提供了较大的数据存储器带宽，适用于数据信号处理及高速数据处理的计算机。
2.在嵌入式系统中采用了哪些先进技术？答：（1）流水线技术（2）超标量执行（3）总线和总线桥3.简述基于ARM架构的总线形式答：ARM架构总线具有支持32位数据传输和32位寻址的能力，通过先进微控制器总线架构AMBA支持将CPU、存储器和外围都制作在同一个系统板中。
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• 写后写相关（WAW）
MUL R3，R2，R1 SUB R3，R4，R5
解决办法 • 后推法
；（R2） （R3） R1 ；（R5）+（R1） R4
；（R2） M 存储单元 ；（R4）+（R5） R2
；（R2）× （R1） R3 ；（R4） （R5） R3 • 采用 旁路技术
3. 控制相关
由转移指令引起
LDA # 0 LDX # 0 M ADD X, D INX CPX # N BNE M DIV # N STA ANS
BNE 指令必须等 CPX 指令的结果 才能判断出 是转移 还是顺序执行
3. 控制相关
设 指令3 是转移指令
t 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
取指令 部件
指令部件 缓冲区
执行指令 部件
(2) 条件转移指令 对指令流水的影响
必须等 上条 指令执行结束，才能确定 下条 指令的地址，
造成时间损失
猜测法
解决办法 ？
4. 指令的六级流水
t 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
指令 1 FI 指令 2 指令 3 指令 4 指令 5 指令 6 指令 7 指令 8 指令 9
解决办法
指令 1 与指令
• 4
停顿 冲突
指令1、指令3、指令 6 冲突
指令
2
与指令
• 5 •
冲指突令存储器和…数据存储器分开
指令预取技术 （适用于访存周期短的情况）
2. 数据相关
不同指令因重叠操作，可能改变操作数的 读/写 访问顺序
• 写后读相关（RAW） SUB R1，R2，R3 ADD R4，R5，R1
10.1 指 令 流 水
一、如何提高机器速度
1. 提高访存速度
高速芯片
Cache
多体并行
2. 提高 I/O 和主机之间的传送速度
中断 DMA
通道
I/O 处理机
多总线
3. 提高运算器速度
高速芯片
改进算法
快速进位链
• 提高整机处理能力 高速器件 改进系统结构 ，开发系统的并行性
二、系统的并行性
1. 并行的概念
取指令 取指令部件 完成 执行指令 执行指令部件 完成
总有一个部件 空闲
2. 指令的二级流水
取指令 1 执行指令 1
取指令 2 执行指令 2
指令预取
取指令 3 执行指令 3
若 取指 和 执行 阶段时间上 完全重叠
指令周期 减半 速度提高 1 倍
3. 影响指令流水效率加倍的因素
(1) 执行时间 > 取指时间
指令 1 FI 指令 2 指令 3 指令 4 指令 5 指令 6 指令 7 指令15 指令16
DI CO FO EI WO FI DI CO FO EI WO
FI DI CO FO EI WO FI DI CO FO FI DI CO FI DI FI FI DI CO FO EI WO FI DI CO FO EI WO
回改 写指 结令 果指 部针 锁件锁部
存
存
存
存
存
存件
若 流水线不出现断流 1 个时钟周期出 1 结果
不采用流水技术
7 个时钟周期出 1 结果
理想情况下，7 级流水 的速度是不采用流水技术的 7 倍
2. 运算流水线
完成 浮点加减 运算 可分 对阶、尾数求和、规格化 三段
对
阶 功 能 部
锁 存 器
件
尾 数 加 部 件
➢ 不能调整 指令的 执行顺序 靠编译程序解决优化问题
指令序列
IF ID EX WR
流水线速度是原来速度的 3 倍
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
时钟周期指令间 潜在 的 并行性， 将 多条 能 并行操作 的指令组合成 一条 具有 多个操作码字段 的 超长指令字（可达几百位）
流水线中各段总的时空区
=
S空间
mnΔt m(m + n -1) Δt
空间
S4
1 2 3 4 5 … … … n-1 n
S3
1 2 3 4 5 … … … n-1 n
S2
1 2 3 4 5 … … … n-1 n
S1 1 2 3 4 5 … … … n-1 n
mΔt
(n-1) Δt
T时间
六、流水线的多发技术
设流水线各段时间为 Δ t
完成 n 条指令在 m 段流水线上共需
T = m ·Δt + (n-1) Δ· t
完成 n 条指令在等效的非流水线上共需
T′= nm ·Δt
则
nm ·Δt
nm
Sp = m Δ· t +(n-1) Δ· t = m + n -1
3. 效率
流水线中各功能段的 利用率 由于流水线有 建立时间 和 排空时间 因此各功能段的 设备不可能 一直 处于 工作 状态
转移损失
五、流水线性能
1. 吞吐率 单位时间内 流水线所完成指令 或 输出结果 的 数量
设 m 段的流水线各段时间为Δt
• 最大吞吐率
Tpmax
=
1
Δt
• 实际吞吐率
连续处理 n 条指令的吞吐率为
Tp
=
n m ·Δt+ (n-1)
·Δ
t
2. 加速比 Sp
m 段的 流水线的速度 与等功能的 非流水线的速度 之比
S空间
空间
S4
1 2 3 4 5 … … … n-1 n
S3
1 2 3 4 5 … … … n-1 n
S2
1 2 3 4 5 … … … n-1 n
S1 1 2 3 4 5 … … … n-1 n
mΔt
(n-1) Δt
T时间
3. 效率
流水线中各功能段的 利用率
流水线各段处于工作时间的时空区
效率 =
并发 两个或两个以上事件在 同一时间段 发生
并行
同时 两个或两个以上事件在 同一时刻 发生
时间上互相重叠
2. 并行性的等级
过程级（程序、进程） 粗粒度
指令级（指令之间） （指令内部）
细粒度
软件实现 硬件实现
三、指令流水原理
1. 指令的串行执行
取指令 1 执行指令 1 取指令 2 执行指令 2 取指令 3 执行指令 3 …
锁 存 器
规 格 化 部
件
锁 存 器
第一段
第二段
第三段
分段原则 每段 操作时间 尽量 一致
➢ 采用 多个处理部件
指令序列
IF ID EX WR
时钟周期 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
七、流水线结构
1. 指令流水线结构
完成一条指令分 7 段， 每段需一个时钟周期
修
取 指 令 部 件
指 令 译 码 部 锁件
地取 址操 形作 成数 部部 锁件 锁 件
操 作 执 行 部 锁件
指令 1 FI 指令 2 指令 3 指令 4 指令 5 指令 6 指令 7 指令 8 指令 9
DI CO FO EI WO FI DI CO FO EI WO
FI DI CO FO EI WO FI DI CO FO EI WO FI DI CO FO EI WO FI DI CO FO EI WO FI DI CO FO EI WO FI DI CO FO EI WO FI DI CO FO EI WO
1. 超标量技术 ➢ 每个时钟周期内可 并发多条独立指令 配置多个功能部件 ➢ 不能调整 指令的 执行顺序 通过编译优化技术，把可并行执行的指令搭配起来
指令序列
IF ID EX WR
时钟 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 周期
2. 超流水线技术
➢ 在 一个时钟周期 内 再分段 （ 3 段） 在一个时钟周期内 一个功能部件使用多次（ 3 次）
完成 一条指令 串行执行 六级流水
6 个时间单位 6 × 9 ＝ 54 个时间单位 14 个时间单位
四、影响指令流水线性能的因素
1.程结序构的相相关近指不令同之指间令出争现用某同种一关功联能部件产生资源冲突
使指令流水出现停顿，影t响流水线效率
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
DI CO FO EI WO FI DI CO FO EI WO
FI DI CO FO EI WO FI DI CO FO EI WO FI DI CO FO EI WO FI DI CO FO EI WO FI DI CO FO EI WO FI DI CO FO EI WO FI DI CO FO EI WO