流水线技术PPT课件

（1）静态流水线（Static Pipelining） 静态流水线是指在同一段时间内，多功能流水线只能按一种方
式连接，实现一种功能。只有当按照这种连接流入的所有处理的对 象都流出流水线之后，多功能流水线才能重新进行连接以实现其他 功能。如图3.6所示中的8段多功能流水线如果按照图3.7所示的时 空图工作，那么就是一种静态流水线。
控制简单，节省设备。执行指令速度慢，功能部件的利用率低。 （2）一次重叠方式。一次重叠执行方式是指在任何时刻，处理 机中至多只有二条指令在同时执行。执行n条指令所需要的时间为 T=(2n+1)t。
时间缩短了近一半，功能部件利用率高。需要增加一些硬件， 控制过程也复杂一些。
（3）二次重叠方式。二次重叠执行方式是指在任何时刻，处理 机中至多可以有三条指令在同时执行。执行n条指令所需要的时间 为T=(n+2)t。
动态流水线是指在同一段时间内，多功能流水线中的各段可以
实现多种连接，同时执行多种功能。当然，任何一个功能段只能参
使用的一种并行处理技术。采用流水线技术只需要增加少量的硬件，
就能够把处理机的运算速度提高几. 倍。
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三、流水线的表示方法
流水线的表示方法有三种：连接图、时空图和预约表，其中时
空图用于表示线性流水线，预约表用于表示非线性流水线，而连接
图则均可表示。
1. 连接图
四个流水段的指令流水线的连接图如图所示，其实质是将带执
时间缩短了近2/3，提高指令的. 执行速度。付出更高的代价3 。
取 指k 分 析k 执 行k 取指k+1 分析k+1 执行k+1
顺序执行方式
取指k
分析k
一次重叠执行方式
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
取指k
二次重叠执行方式
分析k
执行k
取指k+1 分析k+1 执行k+1
行时间的各流水段按照流水线的执行顺序从左到右排列，并用带箭
头的直线把它们连接起来。
2. 时空图
时空图是一种最常用、能直观描述线性流水线工作过程的表示
方法，四个流水段的指令流水的时空图如图所示。其实质是利用平
面直角坐标系的第一象限。横坐标表示时间，即是输入到流水线的
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
对阶
尾数加
规格化
输出
六功能段线性单功能流水线的连接图
（2）多功能流水线（Multifunction Pipelining） 多功能流水线是指流水线的各段可以实现不同的连接，在不同
的时间内，或在同一时间内，通过. 不同的连接方式实现不同的9处理
输入
输入 求阶差 对阶 尾数加 规格化
尾数乘 累加 输出
每一个流水段。
.
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取指令 线性指令流水线的连接图
译码
取指令
译码
非线性指令流水线的连接图
执行 执行
保存结果 保存结果
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
四功能段指令流水线时空图
.
7
3. 预约表 预约表是一种最常用、能直观描述某过程非线性流水线工作状 态的表示方法， 四个流水段的指令流水线的预约表如图3.4所示。 其实质是利用一张表，行表示时间即非线性流水线的段数，列表示 空间既任务通过非线性流水线的时间，表中用“×”表示行对应流 水段在列对应时间段要被使用。一行中可以有多个“×”，表明同 一个任务在不同时间重复使用了同一个流水段；一列中有多个 “×”则表明任务在同一时间使用了多个流水段。
.
1
第一节 流水线的基本概念
一、多条指令的执行方式 二、什么是流水线 三、流水线的表示方法 四、流水线的分类 五、流水线的特点
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一、多条指令的执行方式
一条指令的执行过程可以分为多个阶段，通常分为取指令、分 析指令、执行指令三个阶段。现假设三个阶段所需要的时间均为t。
（1）顺序方式。顺序执行方式是指在任何时刻，处理机中只有 一条指令在执行。执行n 条指令所需要的时间为T=3nt。
取指k+2 分析k+2 执行k+2
.
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二、什么是流水线
计算机中的流水线与工厂中的生产流水线十分相似，它是指把
一个重复的过程分解为若干个子过程，一个过程的子过程可以与其
它过程的不同的子过程并行进行，实现不同过程在时间上重叠进行
的工作方式。实现流水线的技术方法称为流水线技术。从本质上讲，
流水线技术是一种时间并行技术，是通过时间重叠的技术途径实现
×
×
×
×
×
四功能段非线性指令流水线预约表
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8
四、流水线的分类
从不同的角度，可以把流水线分成多种不同类型，以反映流水线在某一 方面的结构、特点或性能。
1. 按流水线的功能多寡分类 （1）单功能流水线（Unifunction Pipelining） 单功能流水线是指只能完成一种固定功能的流水线。
输入
示阶差
定点乘法
输出
浮点加法
.
TI-ASC计算机的多功能流水线
输入 求阶差 对阶 尾数加 规格化 尾数乘 累加 输出
浮点点积 10
2. 按多功能流水线在同一时间内各段连接方式分类 在多功能流水线中，按照在同一时间内是否可以实现多种连接 ，来同时执行多种功能的要求，把多功能流水线分为静态流水线和 动态流水线。
第二章 流 水 线 技 术
流水线是计算机体系结构设计中普遍应用的技术。本章介绍流水 线的基本概念、表示方法、和分类，讨论流水线实现的基本结构、 线性流水线的性能与非线性流水线的调度策略，分析流水线的相关 及其处理方法。
第一节 流水线的基本概念 第二节 处理机实现流水线的基本结构 第三节 线性流水线的性能及其分析 第四节 流水线的相关及其处理 第五节 非线性流水线的调度
并行处理（时间并发性）。
根据子过程划分，相应的流水线也要划分出相应的段，每一个
段称为流水节拍、流水步、流水步骤、流水阶段、流水段、功能段
等。一个流水阶段与另外一个流水阶段相连接形成流水线。过程从
流水线的一端进入，经过流水线的处理，从流水线的另一端进出。
流水线技术是一种非常经济而又有效的技术，已成为计算机中普遍
.
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空间
浮点加
定点乘
输出
1 2 … n-1 n
1…
累加
1 2…
尾数乘
1 2 3…
规格化
1 2 … n-1 n
尾数加
1 2 … n-1 n
对阶
1 2 … n-1 n
求阶差
1 2 … n-1 n
输入
Fra Baidu bibliotek1 2 … n-1 n
1 2 3 4 … 时间
静态流水线的时空图
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（2）动态流水线（Dynamic Pipelining）