第5章 指令级并行及其开发——硬件方法.

兰州大学计算机科学与技术专业(本科)《计算机体系结构》教学标准目录一. 课程基本信息二. 课程的性质、地位与任务三. 教材与主要参考书四. 计划学时与学时分配五. 课程内容与要求第 1 章计算机设计基础第 2 章指令集的设计第 3 章CPU 的设计第 4 章流水线技术第 5 章存储器层次结构第 6 章计算机输入/输出系统第7 章网络并行计算系统第8 章多处理器计算机结构六. 教学环节七. 实验环节八. 考试要求九. 其它相关说明一. 课程基本信息课程编号：2043061课程名称：计算机体系结构课程英文名称：Computer Architecture课程性质：指定选修课先修课程：数字逻辑；计算机组成原理；概率论与统计；数据结构；操作系统；编译原理。

适用专业：计算机科学与技术专业、通信工程专业开课学期：第七学期学时：72（54）学分：4（3）二. 课程的性质、地位与任务计算机系统结构是计算机科学与技术领域的重要学科，也是高等院校计算机系本科生和研究生学习设计、分析和评价计算机的主干课程。

许多著名的院校作为研究生入学考试课程之一。

该课程以讲授计算机系统结构的基本概念和基本原理为主，而不是完整介绍各种系统结构，即不是以具体的机器为实例进行教学。

在教学中引进定量原理，让学生学会如何测试实际机器，分析实际机器，分析计算机设计中遇到的各种限制因素，培养正确选择各种折衷方案的能力。

强调计算机系统结构与操作系统和编译系统的相互关系，充分反映出计算机系统结构不是单纯的硬件课程，而是硬件和系统软件的结合点，因此本课程不仅适用于培养系统结构和芯片设计工程师和计算机系统工程师，而且也适用于培养编译系统和操作系统工程师。

三. 教材与主要参考书1.教材：《计算机体系结构》石教英等著杭州:浙江大学出版社,1998[1版].2.参考书：①《计算机系统结构—量化研究方法》（第三版）(美)J ohn L.H e nn e ss y D av i dA.P a tt e r s on著郑伟明、汤志忠、汪东升译电子工业出版社,2004[1版].②《高级计算机体系结构》(美)K a i H w a ng著ADVANCED COMPUTER ARCHITECTURE 机械工业出版社,1999[1版].③《计算机系统结构》郑伟民、汤志忠著清华大学出版社,1998[2 版].④《计算机系统结构》李学干著西安电子科技大学出版社,2000[3 版].⑤《计算机体系结构》张晟曦著高等教育出版社,2000[3 版].[21 世纪教材]四.计划学时与学时分配1.教学建议《计算机体系结构》课程分经典教案面授和电子教案面授两种。

总复习第一章1.计算机系统结构、组成、实现的基本概念和包含的内容；系统结构与软硬件功能划分的关系；计算机系统的多级层次结构；判断某项内容属于结构、组成、实现的哪一类；判断某项内容针对不同程序员的透明性。

2.促进系统结构发展的因素（软件、应用、器件）。

软件：实现软件可移植性的方法；系列机的概念；软件兼容的概念（向前、向后、向上、向下兼容）；模拟与仿真技术的概念；应用：应用对系统结构的要求。

器件：系统结构下移的概念。

3.计算机系统的分型与分类的概念。

Flynn分类法4.系统结构设计的定量原理（Amdahl定理）；加速比的计算方法；5.程序访问的局部性原理（时间局部性、空间局部性）；判断系统结构中局部性原理的应用。

6.系统评价的指标（响应时间、CPU时间、MIPS、MFLOPS）；运用CPU性能公式、平均CPI比较系统性能。

7.并行性的概念；并行性的等级、粒度；并行性的开发策略（时间重叠、资源重复、资源共享）；8.计算机系统的主要设计方法第二章1.指令系统的设计要求（完备性、有效性、兼容性、规整性、对称性、可扩充性、正交性、有利于编译）。

2.指令系统的分类（堆栈型、累加器型、通用寄存器型）；通用寄存器型指令的特点（R－R型、R－M型、M－M型）。

3.操作数访问方式（按地址访问、按内容访问）；按地址访问的编址问题：字编址、字节编址、位编址；按字节编址时的大端排序与小端排序。

编址规定中的访存越界问题及其解决方法。

按内容访问：联想存储器的工作过程。

4.指令格式的设计准则；操作码的优化方法（霍夫曼编码、扩展霍夫曼编码）。

5.指令系统的两种设计风格CISC和RISC。

CISC风格的特点；RISC风格的特点。

RISC风格指令系统的实现技术：窗口寄存器重叠技术、优化转移技术。

6.数据类型、数据表示、数据结构的概念和关系；引入数据表示的原则（减少程序执行时间和存储容量、较好的通用性和较高的效率）；数据表示与系统结构的关系。

计算机体系结构并行计算基础知识计算机体系结构是计算机硬件和软件的结构和组织方式。

而并行计算指的是在计算机中同时执行多个任务或指令的能力。

在本文中，我们将探讨计算机体系结构中的并行计算的基础知识。

一、并行计算的概念和原理并行计算是指同时使用多个处理器或计算单元来执行任务或指令。

与串行计算相比，它能够加快计算速度，提高系统的整体性能。

并行计算的原理是将一个大任务或指令分解成多个小任务或指令，并利用多个处理器或计算单元同时执行这些小任务或指令。

这样可以充分利用计算资源，提高系统的运行效率。

二、并行计算的分类并行计算可以按照不同的标准进行分类。

下面是几种常见的分类方式：1.按照并行计算的粒度，可以分为指令级并行、线程级并行、过程级并行、任务级并行等。

指令级并行是指同时执行多条指令，线程级并行是指同时执行多个线程，过程级并行是指同时执行多个独立的过程，任务级并行是指将一个大任务分解成多个小任务，并同时执行这些小任务。

2.按照并行计算的结构，可以分为共享内存并行计算和分布式并行计算。

共享内存并行计算是指多个处理器共享同一块内存，分布式并行计算是指每个处理器都有自己的内存，通过网络进行通信和协调。

3.按照并行计算的拓扑结构，可以分为串行结构、对称多处理结构、集群结构等。

串行结构是指只有一个处理器的结构，对称多处理结构是指多个处理器之间没有主从关系，集群结构是指多个处理器通过网络连接起来，具有主从关系。

三、并行计算的优势和应用并行计算具有以下优势：1.提高计算速度：通过同时执行多个任务或指令，可以加快计算速度，提高系统的整体性能。

2.提高系统的可靠性：当一个处理器出现故障时，其他处理器可以继续工作，保证系统的正常运行。

3.节省成本：通过并行计算，可以充分利用计算资源，减少计算机的数量和成本。

并行计算的应用非常广泛，包括科学计算、人工智能、图像处理、数据挖掘等领域。

在科学计算中，通过并行计算可以加快模拟和分析的速度；在人工智能中，通过并行计算可以提高机器学习和深度学习的效率；在图像处理和数据挖掘中，通过并行计算可以快速处理大量的数据。

单片机指令的并行执行技术单片机指令的并行执行技术是一种提高单片机性能和效率的重要方法。

通过同时执行多个指令，可以大大加快程序运行速度，提高系统的响应能力。

本文将介绍单片机指令的并行执行技术以及其应用。

一、指令的并行执行原理指令的并行执行是指在一个时钟周期内同时执行多个指令。

实现指令的并行执行需要满足以下几个条件：1. 数据无相关性：同时执行的指令之间不能有数据相关性，即后续指令不依赖于前面指令的结果。

否则会导致数据错误。

2. 硬件支持：需要具备支持并行执行的硬件结构，包括有多个执行单元和数据通路。

基于以上原理，下面将介绍几种常见的单片机指令并行执行技术。

二、指令级并行执行技术指令级并行执行技术是指在一个时钟周期内同时执行多条指令的技术。

常见的指令级并行执行技术包括：1. 流水线技术：将指令执行过程分为多个阶段，每个阶段由不同的硬件执行，实现多个指令的同时执行。

比如Fetch（取指令）、Decode （解码）、Execute（执行）和Write Back（写回）等阶段。

2. 超标量技术：通过增加硬件资源，同时从指令存储器中提取多条指令并行执行。

不同于流水线技术，超标量技术可以并行执行多个指令的某个或全部阶段。

三、循环级并行执行技术循环级并行执行技术是指在一个循环中同时执行多条指令的技术。

常见的循环级并行执行技术包括：1. 向量处理器：通过并行处理多个数据元素来加速程序运行速度。

向量处理器可以一次性处理多个相同类型的指令，提高程序的执行效率。

2. SIMT技术：Single Instruction Multiple Thread，即单指令多线程技术。

通过将多个线程分配给不同的处理单元，实现多个线程的同时执行。

这种技术广泛应用于图形处理器（GPU）等领域。

四、应用领域指令的并行执行技术在多个领域都有广泛应用，特别是对于对计算能力要求较高的应用场景。

下面列举几个典型的应用领域：1. 数字信号处理（DSP）：在音频和视频处理等领域，需要高效处理大量数据，指令的并行执行技术可以提高处理速度和实时性。

《计算机体系结构》教学大纲课程名称：计算机体系结构英文名称：Computer Architecture课程编号：0812000485课程性质：选修学分/学时：2/32。

其中，讲授 32学时，实验 0学时，上机 0学时，实训 0学时。

课程负责人：先修课程：模拟电路，数字电路，计算机组成原理，汇编语言，操作系统，算法与程序设计方法一、课程目标通过本课程的教学，使学生先掌握计算机系统结构的基本概念，以及计算机系统结构的形成和发展过程，再以现代计算机系统结构为主线，掌握计算机系统结构的合成、存储系统结构、流水线结构、多处理机系统、RISC结构、分布计算环境结构及数据流计算机结构等现代计算机的系统结构，并了解软件对计算机系统结构的影响，最后了解现代计算机系统结构的最新发展。

本课程帮助学生了解计算机系统结构的基本概念，基本原理、基本结构、基本分析方法以及近年来的重要进展。

通过本课程的学习，达到以下教学目标：1. 工程知识1.1 掌握必要的计算机体系结构基础理论知识。

1.2 能够应用计算机体系结构理论知识解决复杂工程技术问题。

2. 问题分析2.1 能够理解并恰当表述计算机体系结构的实际问题。

2.2 能够找到合适的解决计算机体系结构实际问题的程序与方法。

2.3 在一定的限制条件下能够合理解决计算机体系结构方面的实际问题。

3．设计/开发解决方案能够运用计算机系统结构基础知识初步进行计算机系统的规划与设计并体现创新意识。

4. 研究4.1能够采用计算机系统结构理论知识进行研究并合理设计实验方案。

4.2具备采集有效数据的能力。

5. 使用现代工具能够正确运用工具与资源对计算机系统的性能提升等问题进行设计与实现。

6. 终身学习6.1具有自觉搜集阅读与整理资料的能力。

6.2了解计算机系统结构的发展前沿。

6.3具有终身学习的意识与能力。

二、课程内容及学时分配如表1所示。

三、教学方法课程教学以课堂教学、实验教学、课外作业、综合讨论、网络课程等共同实施。

第一章绪论什么是并行计算机答：简单地讲，并行计算机就是由多个处理单元组成的计算机系统，这些处理单元相互通信和协作，能快速高效求解大型的复杂的问题。

简述Flynn分类法：答：根据指令流和数据流的多重性将计算机分为：1）单指令单数据流SISD2）单指令多数据流SIMD3）多指令单数据流MISD4）多指令多数据流MIMD简述当代的并行机系统答：当代并行机系统主要有：1）并行向量机（PVP）2）对称多处理机（SMP）3）大规模并行处理机（MPP）4）分布式共享存储（DSM）处理机5）工作站机群（COW）为什么需要并行计算机答：1）加快计算速度2）提高计算精度3）满足快速时效要求4）进行无法替代的模拟计算简述处理器并行度的发展趋势答：1）位级并行2）指令级并行3）线程级并行简述SIMD阵列机的特点答：1）它是使用资源重复的方法来开拓计算问题空间的并行性。

2）所有的处理单元（PE）必须是同步的。

21m 3）阵列机的研究必须与并行算法紧密结合，这样才能提高效率。

4）阵列机是一种专用的计算机，用于处理一些专门的问题。

简述多计算机系统的演变答：分为三个阶段：1）1983-1987年为第一代，代表机器有：Ipsc/1、Ameteks/14等。

2）1988-1992年为第二代，代表机器有：Paragon 、Intel delta 等。

3）1993-1997年为第三代，代表机器有：MIT 的J-machine 。

简述并行计算机的访存模型答：1）均匀存储访问模型（UMA ）2）非均匀存储访问模型（NUMA ）3）全高速缓存存储访问模型（COMA ）4）高速缓存一致性非均匀访问模型（CC-NUMA ）简述均匀存储访问模型的特点答：1）物理存储器被所有处理器均匀共享。

2）所有处理器访问任何存储字的时间相同。

3）每台处理器可带私有高速缓存。

4）外围设备也可以一定的形式共享。

简述非均匀存储访问模型的特点答：1）被共享的存储器在物理上分布在所有的处理器中，其所有的本地存储器的集合构成了全局的地址空间。

体系结构复习重点体系机构复习重点注：红⾊代表不确定，玫粉⾊是加进去的第⼀章不考⼤题，第⼆章不考概念⼀、⼩题1 Amdahl定律系统中某⼀部件由于采⽤更快的执⾏⽅式后，整个系统性能的提⾼与这种执⾏⽅式的使⽤频率或占总执⾏时间的⽐例有关。

2 指令级并⾏⼀种平⾏计算形式，在⼀个程式运⾏中，许多指令操作，能在同时间进⾏3 程序的局部性原理：是指程序在执⾏时呈现出局部性规律，即在⼀段时间内，整个程序的执⾏仅限于程序中的某⼀部分。

相应地，执⾏所访问的存储空间也局限于某个内存区域。

4 透明性概念定义：本来存在的事物或属性，从某种⾓度看似乎不存在5 ⼤概率事件优先原则对于⼤概率事件（最常见的事件），赋予它优先的处理权和资源使⽤权，以获得全局的最优结果。

7 超标量处理机采取设置M条指令流⽔线同时并⾏，来实现并⾏度为m的处理机8 向量流⽔处理把要解决的问题转化成向量运算，采⽤横向，纵向，纵横处理⽅式对向量各分量进⾏独⽴并⾏的处理。

9 系列机具有相同的系统结构，但组成和实现技术不同的⼀系列计算机系统兼容（软件，硬件）; 兼容最基本特征; 向右兼容11 并⾏性指令内部指令级线程级任务级作业级指计算机系统具有可以同时进⾏运算或操作的特性，在同⼀时间完成两种或两种以上⼯作。

它包括同时性与并发性两种含义。

同时性指两个或两个以上事件在同⼀时刻发⽣。

并发性指两个或两个以上事件在同⼀时间间隔发⽣。

14写直达法写回写直达法：在执⾏写操作时，不仅把信息写⼊Cache中相应的块，⽽且也写⼊下⼀级存储器中相应的块。

15 加速⽐加速⽐（speedup），是同⼀个任务在单处理器系统和并⾏处理器系统中运⾏消耗的时间的⽐率，⽤来衡量并⾏系统或程序并⾏化的性能和效果。

16 数据相关在执⾏本条指令的过中，如果⽤到的指令、操作数、变址偏移量等正好是前⾯指令的执⾏结果，则必须等待前⾯的指令执⾏完成，并把结果写到主存或通⽤寄存器中之后，本条指令才能开始执⾏，这种相关称为数据相关。

指令级并行我们知道,要从系统结构上提高计算机的性能,就必须设法以各种方式挖掘计算机工作的并行性。

并行性又有粗粒度并行性(coarse-grained parallelism)和细粒度并行性(fine-grained parallelism)之分。

所谓粗粒度并行性是在多处理机上分别运行多个进程,由多台处理机合作完成一个程序。

所谓细粒度并行性是在一个进程中进行操作一级或指令一级的并行处理。

这两种粒度的并行性在一个计算机系统中可以同时采用,在单处理机上则用细粒度并行性。

指令级并行概念指令级并行（Instruction-Level Parallelism, ILP），是细粒度并行，主要是相对于粗粒度而言的。

顾名思义，指令级并行是指存在于指令一级即指令间的并行性，主要是指机器语言一级，如存储器访问指令、整型指令、浮点指令之间的并行性等，它的主要特点是并行性由处理器硬件和编译程序自动识别和利用，不需要程序员对顺序程序作任何修改。

正是由于这一优点，使得它的发展与处理器的发展紧密相连。

指令级并行技术突破了每个时钟周期完成一条指令的框框,做到在单处理机上每个时钟周期能完成的指令数平均多于一条。

我们已知道,向量处理机进行的是细粒度的并行处理,它在处理向量时由于采用了流水线,多功能部件河链接技术,能够做到每个时钟周期完成多个操作,相当于多条指令。

但它在处理标量时,效率将大大降低,有时甚至还不及一个普通的通用计算机。

现在几种新的系统结构设计,其基本思想是要挖掘指令级并行,使单处理机达到一个时钟周期完成多条指令。

指令级并行性的含义可用下面的例子来说明:(1)Load C1←23(R2)Add R3←R3+1FPAdd C4←C4+C3并行度=3(2)Add R3←R3+1Add R4←R3+R2Store R0←R4并行度=1上例中,(1)的三条指令是互相独立的,它们之间不存在数相关,所以可以并行执行。

反之,(2)的三条指令中,第2条要用到第1条的结果,第3条要用到第2条的结果,它们都不能并行执行。

《计算机系统结构》课程教学大纲英文课程名称： Computer Architecture 课程编号：授课语言：中文学分：3课内学时：51 课程性质：专业课先修课程：计算机组成原理考试/考查：考试是否全英/双语课程：否一、课程定位和基本要求1.课程定位本课程是计算机专业和软件工程专业的一门重要专业课。

其目的是提高学生从总体结构、系统分析这一层次来研究和分析计算机系统的能力，帮助学生建立整机的概念；使学生掌握计算机系统结构的概念、原理、结构以及设计和分析方法，并对计算机系统结构的发展历史和现状有所了解。

2.课程教学目标课程教学目标1：掌握计算机系统结构相关的基本概念和计算机系统的设计方法，掌握定量分析的基本方法以及计算机系统的性能评测技术。

掌握计算机系统结构中并行性的发展。

课程教学目标2：理解指令集结构的分类及指令系统设计中应考虑的各种因素，掌握计算机指令系统的设计方法，掌握指令操作码的优化编码。

课程教学目标3：掌握流水线的基本概念、分类以及性能分析，掌握基本MIPS流水线的实现，掌握流水线中的各种冲突及其解决方法。

课程教学目标4：掌握向量处理机的基本概念、结构和性能评价方法。

课程教学目标5：掌握指令级并行的概念及其硬件开发方法，掌握Tomasulo算法以及动态分支预测技术。

课程教学目标6：掌握指令级并行开发的软件方法，包括基本指令调度、循环展开、全局指令调度（踪迹调度和超块调度）、静态多指令流出、显式并行指令计算；掌握开发循环级并行的方法，如软流水。

课程教学目标7：掌握多级存储层次，掌握Cache的组成及性能分析，掌握改进Cache 性能的方法；课程教学目标8：掌握磁盘冗余阵列RAID以及通道的工作原理和性能分析；课程教学目标9：掌握互连函数、互连网络的参数和性能指标，掌握静态互连网络和动态互连网络。

课程教学目标10：掌握多处理机系统的两种存储结构模型, 掌握实现多Cache一致性的监听法和目录法。

计算机体系结构指令级并行基础知识详解计算机体系结构是计算机科学中的一个重要领域，它研究计算机各个组成部分之间的关系和相互作用。

指令级并行是计算机体系结构中的一个重要概念，它可以提高计算机的性能和效率。

本文将详细介绍计算机体系结构指令级并行的基础知识。

一、什么是计算机体系结构指令级并行？计算机体系结构指令级并行是指在计算机指令的执行过程中，同时执行多条指令，以提高计算机的性能和效率。

传统上，计算机执行一条指令需要按照顺序依次执行多个步骤，即取指令、译码、执行、访存和写回。

而指令级并行则允许多个指令的某些步骤并行执行，从而加快指令的执行速度。

二、指令级并行的基本原理1. 流水线技术流水线是指将指令的执行过程分为多个阶段，并使每个阶段同时执行不同的指令。

每个阶段执行完毕后，指令便进入下一个阶段，以此类推。

这样可以使多条指令同时在不同的阶段执行，达到指令级并行的效果。

2. 超标量技术超标量是指在一个时钟周期内，同时发射并执行多条指令。

通过提高处理器的运算能力和硬件资源，可以达到超标量执行多条指令的效果。

三、指令级并行的优势和挑战1. 优势指令级并行可以提高计算机的性能和效率，缩短程序的执行时间。

通过同时执行多条指令，可以充分利用计算机硬件资源，加快指令的执行速度。

2. 挑战指令级并行虽然可以提高计算机的性能，但同时也带来了一些挑战。

例如，指令之间可能存在数据依赖关系，需要解决数据相关性问题。

此外，指令级并行还需要考虑硬件资源分配和调度问题，以充分利用计算机的处理能力。

四、指令级并行的应用指令级并行广泛应用于现代计算机体系结构中。

例如，现代CPU通过流水线和超标量技术实现指令级并行，提高计算机的性能。

同时，指令级并行也被用于并行计算和分布式系统中，以加快任务的执行速度。

五、结论计算机体系结构指令级并行是提高计算机性能和效率的重要手段之一。

通过流水线和超标量技术，可以实现指令的并行执行，加快程序的执行速度。

计算机程序设计并⾏计算概念及定义全⾯详解⽬录1 摘要2 概述2.1 什么是并⾏计算？2.2 为什么要并⾏计算？2.3 谁都在使⽤并⾏计算？科学界和⼯程界：⼯业界和商业界：全球应⽤：3 概念和术语3.1 冯诺依曼体系结构3.2 弗林的经典分类3.3 ⼀些常见的并⾏计算术语3.4 并⾏程序的缺陷和代价复杂性：可移植性：资源需求：可扩展性：4 并⾏计算机的内存架构4.1 共享内存统⼀内存存取(Uniform Memory Access)：⾮统⼀内存存取(Non-Uniform Memory Access)：4.2 分布式内存4.3 混合分布式-共享内存5. 并⾏计算模型5.1 概述在分布式内存架构上的共享内存模型在共享内存架构上的分布式内存模型5.2 共享内存模型（⽆线程）5.3 线程模型5.4 分布式内存/消息传递模型5.5 数据并⾏模型5.6 混合模型5.7 单程序多数据模型(SPMD)和多程序多数据模型(MPMD)单程序多数据模型(Single Program Multiple Data (SPMD))：多程序多数据模型(Multiple Program Multiple Data (MPMD))：6 并⾏程序设计6.1 ⾃动 vs. ⼿动并⾏化完全⾃动：程序员指令：6.2 理解问题和程序识别程序的关键点 (hotspots)：识别程序中的瓶颈 (bottlenecks)：6.3 分割 (Partitioning)6.4 通讯 (Communications)通讯开销：延迟 vs. 带宽：通讯可见性：同步 vs. 异步通讯：通讯的范围：通讯的效率：开销和复杂性：6.5 同步 (Synchronization)同步的类型：6.6 数据依赖性 (Data Dependencies)6.7 负载均衡 (Load Balancing)6.8 粒度 (Granularity)计算通讯⽐ (computation / Communication Ratio)：细粒度并⾏化 (Fine-grain Parallelism)：粗粒度并⾏化 (Coarse-grain Parallelism)：6.9 输⼊输出 (I/O)6.10 调试 (Debugging)6.11 性能分析和调优 (Performance Analysis and Tuning)7 并⾏⽰例7.1 数组处理7.2 圆周率计算7.3 简单热⽅程7.4 ⼀维波动⽅程8 参考⽂献和更多信息（本⼈刚刚完成这篇长⽂章的翻译，尚未认真校对。