流水线技术向量处理机

计算机系统结构第 3 章流水线技术_标量

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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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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

如：多操作部件处理机、超标量处理机时间并行性：采用流水线技术
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

流水方式

1 2 3 4 5 6…
0
时间
动态流水线时空图
流水线的分类（续）
按数据表示
标量流水：没有向量数据，只能用标量循环方式来对向量、数组进行处理。
Amdahl 470V/6 IBM 360/91
向量流水：设置有向量指令和向量运算硬件，能对向量、数组中的各个元素流水地处理。
CRAY-1
器中，其延迟时间和功能切换所需的时间都可以忽略不计。
x
1
2
y
3
5
z
4
静态多功能流水线
空间
A*B=a1b1+ a2b2+ a3b3+ a4b4
举例1：
用一条4段浮点加法器流水线求8个浮点数的和： Z＝A＋B＋C＋D＋E＋F＋G＋H
解：Z = [(A+B) + (C+D)] + [(E+F) + (G+H)]
空间
规格化
1234 5 6
7
尾数加
1234 5 6
7
对阶 1 2 3 4 5 6
7
求阶差 1 2 3 4 5 6
7
时间
加数 A C E G A+B E+F
同，加权
m
n * [ i D t i ]
m
i1 m
i * [ D t i ( n 1 ) D t j ]
i1
i1
m
7 .当 i 1时，有： i 1
m
n * [ i D t i ]
m
i1
D ti (n 1)D t j
i 1
顺序流水线与乱序流水线：乱序流水线又称为无序流水线、错序流水线或异步流水线等

流水线技术--流水线的基本概念

虚拟存储器的特点
10／24
3.1 流水线的基本概念
(3) 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 “堵塞”和“断流”。这个时间一般为一个时钟周期 (4) （拍）；流水线需要有“通过时间”（第一个任务流出结果所需的时间），在此之后流水过程才进入稳定工作状 (5) 态，每一个时钟周期（拍）流出一个结果；流水技术适合于大量重复的时序过程，只有输入端能连续地提供任务，流水线的效率才能充分发挥。
虚拟存储器的特点 11／24
3.1 流水线的基本概念
3.1.2 流水线的分类
流水线可以按不同的观点进行分类。
1．按功能的多少来分
◆ 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，从而实现不同的功能。
例如： TI ASC的多功能流水线
虚拟存储器的特点
并让它们分别用各自独立的部件来实现。理想情况：速度提高3倍
虚拟存储器的特点
6／24
3.1 流水线的基本概念
虚拟存储器的特点
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3.1 流水线的基本概念
4. 时－空图时－空图从时间和空间两个方面描述了流水
线的工作过程。时－空图中，横坐标代表时间，
纵坐标代表流水线的各个段。
虚拟存储器的特点
◆ 线性流水线：流水线中的各段串行连接，没
有反馈回路。 ◆ 非线性流水线：流水线中的各段除有串行连接外，还有反馈回路。 (举例)
虚拟存储器的特点 21／24
3.1 流水线的基本概念
虚拟存储器的特点
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◆ 流水线的调度问题
3.1 流水线的基本概念

计算机系统结构课程流水线技术教学研究与实践

摘要：结合高校实际和社会需求，在计算机系统结构课程中的流水线技术教学中，引导学生联系已有知识展开新知识的学习。增加和突出微机上常用的新的系统结构和流水线技术，引入ＤＸ虚拟处理器实验来开展流水线的设计与实现，Ｌ并注意贯通课程内容，系统化流水线技术的介绍．从而大大提高流水线技术的教学效果。关键词：流水线技术；计算机系统结构；ＬＤＸ虚拟处理器；学改革教计算机系统结构历来为高校计算机科学３２位处理器。该处理器不仅体现了当今多种机改进现代计算机系统结构的最重要的思与技术专业必修的主干专业基础课。如何讲好器（Ａ９ＤＣｓｔｎ３０。５．如ＭＤ２Ｋ，Ｅｔｉ１０ＨＰ８０ａｏ想是采用并行技术。并行分时间并行和空间并流水线技术，ＢＭ８，ｎｅｉ６ＭＩＳＭ／２Ａ，ＰＭ／０１Ｉｔｌ８０，Ｐ１０ＭＩＳ从而讲好整个课程，值得我们花大Ｉ行。基于时间并行的流水线技术是现代计算机气力研究和探索。为此，必须结合高校实际和社１ｏＭｏｏｏａ８Ｋ．ＲＳＣＩＳ４６．０Ｏ，ｔｒｌ８Ｊ，ＧＩＤ／０系统结构的基本技术之一。计算机系统结构的会需求，全面深入地开展教学改革，主要措施ＳＡＣｔｉｎＩｕ－，１，Ｓｎ４２０等）ＰＲｓｔ — ，ｓｎ４Ｉ０ｕ－／６ａｏ系国际权威美国斯坦福大学的Ｊｂ．ｅｎｓｖ有：ｏｎＬＨｎｅｓ统结构的共同特点，还将体现未来一些机器的和加利福尼亚大学伯克利分校的Ｄｖ．ａ— ａｉＡＰｔｄ３１任课教师对学生已学过的前继课程要设计思想【．ｌ１。特别是，ＬＤＸ虚拟微处理机提供了ｔｒｎ在其名著 “ ｏｕｒｒｈｔｔｅ— 有一个全面的了解，ｅｓｏＣｍｐｔＡｃｉｃｕＡｅｅｒ在此基础上，善于引导学生个基于ＰＣ机的研究平台，研究者可以在ＰＣｑａｔａｖｐｒａｈｕｎｔｔｅａｐｃ ”一书中特别指出：流水联系已有知识展开新知识的学习。现代建构主机上模拟新的处理机技术。清华大学著名教授ｉｉｏ “ 线过去是，而且将来也很可能还是提高计算机义教育思想认为，知识是个体与外部环境交互郑纬民在其著作中专门介绍了ＤＸ虚拟微处Ｌ性能的最有效技术之一”１【ｌ。事实上，计算机作用的结果，在《学习者并不是接受知识并将他们理机，并指出：通过了解ＤＸ处理机的结构和 “ Ｌ系统结构》门重要的专业基础课中，这流水线技存储在头脑中，而是从外部世界吸收信息，然后工作原理，并利用ＤＸ模拟器进行实验，以Ｌ可术的介绍就占了较大的比例。因此，讲好流水线建构自己的知识领域。人们对事物的理解与个帮助读者综合地了解和运用有关处理器指令系技术，对学生掌握好这门核心课程具有重大的体的先前经验有关，因而知识是学习者在与情统的设计、流水线的设计与实现等方面的知识，意义。景（包括其他个体）的交互作用过程中自行建构有助于对本书前面章节所述内容的理解。” ２流水线技术教学面临的难题的目。在全面了解ＤＸ虚拟处理器的结构和工Ｌ今天，流水线技术无处不在，天面对的天软”的角度，利用比如，结合《计算机组成原理》课程中介绍作原理的基础上，探讨从 “ Ｌ微机上就有。然而，由于是硬件控制，它好像是的指令执行情况介绍指令级并行的概念，汇ＤＸ虚拟处理器进行处理器指令系统的设计、以《谁也看不见的透明的幽灵，法可见，无法可编语言程序设计》课程中介绍的８８／０６处流水线的设计与实现、并行处理的设计与实现无也０８８８及；教师只能纸上谈兵，概念推理，教学确实难理器结构为例，通过对ＥＢＵ两个功能部件等带有新一代处理器思想和技术的实践教学体Ｕ、Ｉ度很大。的并行操作引入一、二次重叠的概念，一下子拉系，总结出有典型教学意义的实验；并编写相关的实验教材，注重设计性和综合性实验的训根据多年的教学体会，要讲好流水线技近了学生与流水线技术的距离。术，应解决三大难题：３．２积极开展本课程教学内容改革，注意练。比如，让学生通过实验软件，模拟采用旁路２．１如何解决流水线技术和学生已学课程吸收国内外同类教材教学思路，结合一般本科技术消除数据相关，采用增加运算单元的方法知识的联系、综合和融会贯通问题。计算机系统教育对计算机人才知识结构的要求，在教学内消除控制相关，采用优化程序的方法来提高流结构一般安排为计算机专业高年级课程，它需容上进行压缩和扩充，精简了有关大中型计算水线的性能等。此外，我们开辟了一些有关ａｈ、Ｐ要用到几乎所有计算机专业基础和相关的前继机的过多介绍，增加和突出微机上常用的新的ＣｃｅＣＵ性能测试的实验．形成一套计算机专业课程知识。与流水线技术相关的课程主要系统结构和流水线技术，突出基本知识，意和系统结构实践教学体系。这是一项难度较大的注有：计算机组成原理、汇编语言程序设计、高级前继课程的内容贯通，形成具有自己特色的教具有开创意义的教学研究工作。３综合计算机系统结构课程内容，系统．４语言程序设计、数据结构、操作系统、编译原理学内容和教学大纲。等。理论上，既讲清一般原理，又紧密结合微化流水线技术的介绍。比如，ＩＣ指令系统，ＲＳ一２．２如何结合学生经常使用的微型计算机机系统结构。比如，结合８Ｘ６０８指令系统，阐述般教材较早地就进行了介绍。为何ＲＳ比ＩＣＩＣ到ＲＳＩＣ的发展；在介绍各项新技术ＣＳＩＣ优越？很多教材提到了２％与８％规律等００系统结构来展开讲述的问题，如果只是抽象地从ＣＳ举出现代大中型计算机实例，学生必然学习兴时．尽量例举微机上应用相关技术的实例。如问题，却未提流水线的需要。实上，ｓ事ｃ的创ａｉＰｔｓ就ｄｅｏ “ ｃ设计趣大减，造成教学障碍。Ｐｎｕ的４级整数流水线、级浮点流水线，始人Ｄｖａｒｎ曾明确指出：ｓｅｔｍｉ８ｅｔｎ的分支预测策略等。我们还以“ ４：ｕ奔奔的目的就是易于执行和流水”Ｉ为此，【Ｊ。在教学处２３如何利用现有实验环境开展流水线技Ｐｎｉｉ．术实验学习的问题。显而易见，此问题如能解腾不已的 ‘ ”为题，门介绍Ｐｎｉｍ４的理上，我们先简介一次重叠流水的概念，凸现芯 ’ 专ｅｔｕＮｔｕｓ微结构，ＷｉａｔｅＢｒｔ从ｌｍｅｔ心、ｏｔｗｏＲＳｌｅ核ＮｒｏｄｈＩＣ指令对流水的帮助，再讲到ＲＳＩＣ的关键决，将大大有助于提高教学效果。很可惜，现有的教材几乎无法解决上述问核心到Ｐｅｃｔ核心的不断发展，所面临的问技术和编译器的优化。ｒｓｏｔ在讲标量流水线之前，先应该说，流水线技题。目前的计算机系统结构教材内容多是针对题及Ｃｒｏｅ微架构的面世，同时还涉及到同时代完整地介绍先行控制技术等。Ｐ结合系统结构术几乎与系统结构中各章内容都直接相关。从大中型计算机系统描述，常以一般学生接触不ＣＵ产品的竞争情况。应该说，标量流水线、向量流水线，存储系统到的机型作为系统结构举例，而结合微机应用的原理比较全面地介绍了与学生密切相关的微指令系统、的并行访�

计算机体系结构习题与答案

第二章习题（P69-70）一、复习题1．简述冯∙诺依曼原理，冯∙诺依曼结构计算机包含哪几部分部件，其结构以何部件为中心？答：冯∙诺依曼理论的要点包括：指令像数据那样存放在存储器中，并可以像数据那样进行处理；指令格式使用二进制机器码表示；用程序存储控制方式工作。

这3条合称冯∙诺依曼原理冯∙诺依曼计算机由五大部分组成：运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备，整个结构一般以运算器为中心，也可以以控制器为中心。

(P51-P54)2．简述计算机体系结构与组成、实现之间的关系。

答：计算机体系结构通常是指程序设计人员所见到的计算机系统的属性，是硬件子系统的结构概念及其功能特性。

计算机组成（computer organization）是依据计算机体系结构确定并且分配了硬件系统的概念结构和功能特性的基础上，设计计算机各部件的具体组成，它们之间的连接关系，实现机器指令级的各种功能和特性。

同时，为实现指令的控制功能，还需要设计相应的软件系统来构成一个完整的运算系统。

计算机实现，是计算机组成的物理实现, 就是把完成逻辑设计的计算机组成方案转换为真实的计算机。

计算机体系结构、计算机组成和计算机实现是三个不同的概念，各自有不同的含义，但是又有着密切的联系，而且随着时间和技术的进步，这些含意也会有所改变。

在某些情况下，有时也无须特意地去区分计算机体系结构和计算机组成的不同含义。

(P47-P48)3．根据指令系统结构划分，现代计算机包含哪两种主要的体系结构？答：根据指令系统结构划分，现代计算机主要包含：CISC和RISC两种结构。

(P55)4．简述RISC技术的特点？答：从指令系统结构上看，RISC 体系结构一般具有如下特点：(1) 精简指令系统。

可以通过对过去大量的机器语言程序进行指令使用频度的统计，来选取其中常用的基本指令，并根据对操作系统、高级语言和应用环境等的支持增设一些最常用的指令;(2) 减少指令系统可采用的寻址方式种类，一般限制在2或3种;(3) 在指令的功能、格式和编码设计上尽可能地简化和规整，让所有指令尽可能等长;(4) 单机器周期指令，即大多数的指令都可以在一个机器周期内完成，并且允许处理器在同一时间内执行一系列的指令。

吉林大学计算机系统结构题库第三章

第三章流水线技术知识点汇总先行控制、流水线、单功能流水线、多功能流水线、静态流水线、动态流水线、部件级流水线、处理机级流水线、处理机间流水线、线性流水线、非线性流水线、顺序流水线、乱序流水线、时空图、流水线性能评价（吞吐率、加速比、效率）、解决流水线瓶颈问题方法、相关（数据相关、名相关、控制相关）、换名技术、流水线冲突（结构冲突、数据冲突、控制冲突）、流水线互锁机制、定向技术、指令调度、预测分支失败、预测分支成功、延迟分支（从前调度、从失败处调度、从成功处调度）、流水寄存器、3种向量处理方式（横向、纵向、纵横）、链接技术。

简答题1.流水技术有哪些特点？（答出4个即可）（知识点：流水线）答：1.将处理过程分解为若干子过程，由专门的功能部件来实现，2各段的时间尽可能相等，3各部件间都有一个缓冲寄存器，4适用于大量重复的时序过程，5需要通过时间和排空时间。

2.什么是静态流水线？什么是动态流水线？（知识点：静态流水线、动态流水线）答：同一时间段内，多功能流水线中的各段只能按同一种功能的连接方式工作；同一时间段内，多功能流水线中的各段可以按照不同的方式连接同时执行多种功能。

3.什么是单功能流水线？什么是多功能流水线？（知识点：单功能流水线、多功能流水线）答：只能完成一种固定功能的流水线。

流水线的各段可以进行不同的连接，以实现不同的功能。

4.什么是线性流水线？什么是非线性流水线？（知识点：线性流水线、非线性流水线）答：流水线的各段串行连接，没有反馈回路。

流水线中除了有串行的连接外，还有反馈回路。

5.列举3种相关。

（知识点：相关）答：数据相关，名相关，控制相关。

6.流水线中有哪三种冲突？各是什么原因造成的？（知识点：流水线冲突）答：结构冲突，硬件资源满足不了指令重叠执行的要求；数据冲突，指令在流水线中重叠执行时需要用到前面指令的执行结果；控制冲突，流水线遇到分支指令和其他会改变PC值的指令。

7.选择至少2种解决流水线结构冲突的方法简述。

计算机体系结构课后答案

计算机体系结构课后答案【篇一：计算机体系结构习题(含答案)】1、尾数用补码、小数表示，阶码用移码、整数表示，尾数字长p=6（不包括符号位），阶码字长q=6（不包括符号位），为数基值rm=16，阶码基值re=2。

对于规格化浮点数，用十进制表达式写出如下数据（对于前11项，还要写出16进值编码）。

（1）最大尾数（8）最小正数（2）最小正尾数（9）最大负数（3）最小尾数（10）最小负数（4）最大负尾数（11）浮点零（5）最大阶码（12）表数精度（6）最小阶码（13）表数效率（7）最大正数（14）能表示的规格化浮点数个数2．一台计算机系统要求浮点数的精度不低于10-7.2，表数范围正数不小于1038，且正、负数对称。

尾数用原码、纯小数表示，阶码用移码、整数表示。

(1) 设计这种浮点数的格式(2) 计算（1）所设计浮点数格式实际上能够表示的最大正数、最大负数、表数精度和表数效率。

3．某处理机要求浮点数在正数区的积累误差不大于2-p-1 ，其中，p是浮点数的尾数长度。

(1) 选择合适的舍入方法。

(2) 确定警戒位位数。

(3) 计算在正数区的误差范围。

4．假设有a和b两种不同类型的处理机，a处理机中的数据不带标志符，其指令字长和数据字长均为32位。

b处理机的数据带有标志符，每个数据的字长增加至36位，其中有4位是标志符，它的指令数由最多256条减少到不到64条。

如果每执行一条指令平均要访问两个操作数，每个存放在存储器中的操作数平均要被访问8次。

对于一个由1000条指令组成的程序，分别计算这个程序在a处理机和b处理机中所占用的存储空间大小（包括指令和数据），从中得到什么启发？5．一台模型机共有7条指令，各指令的使用频率分别为35%，25%，20%，10%，5%，3%和2%，有8个通用数据寄存器，2个变址寄存器。

(1) 要求操作码的平均长度最短，请设计操作码的编码，并计算所设计操作码的平均长度。

6．某处理机的指令字长为16位，有双地址指令、单地址指令和零地址指令3类，并假设每个地址字段的长度均为6位。