K和k的计算可以用约等于指令流水线一开始的几个周期.ppt

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

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

4.2 题型1：可靠度计算[典型题4-2-1]同一型号的1000台计算机，在规定的条件下工作1000小时，其中有10台出现故障。

这种计算机千小时的可靠度R为 (1) ，失效率λ为 (2) 小时，平均故障间隔时间(MTBF)为 (3) 小时。

(1) A．0.999 B．0.995 C．0.99 D．0.9(2) A．1×10-4 B．1×10-5 C．1×10-6 D．1×10-7(3) A．105 B．106 C．107 D．108[要点解析]通常，某产品的可靠性是指该产品在规定的条件下、在规定的时间内完成规定的功能的能力。

衡量产品可靠性水平的主要定量标准有可靠度R(t)、失效率λ(t)、平均无故障工作时间MTBF等。

其中，可靠度R(t)是指产品在规定条件和规定时间内完成规定功能的概率。

本试题中，同一型号的1000台计算机，在规定的条件下工作1000小时，其中有10台出现故障。

这种计算机千小时的可靠度R(t)。

失效率λ(f)也称为故障率，是指某产品(零部件)工作到时间t之后，在单位时△t内失效的概率，即指产品在f时刻失效的可能性。

本试题中，λ(f)。

平均无故障工作时间(MTBF)是指相邻两次故障之间的平均工作时间，也称为平均故障间隔。

它仅适用于可维修产品。

同时也规定产品在总的使用阶段累计工作时间与故障次数的比值为MTBF。

通常将它定义为失效率λ(t)的倒数，即MTBF=1/λ(t)。

因此，本试题中，MTBF参考答案：(1)C；(2)B；(3)A。

[典型题4-2-2]若某计算机是由4个部件串/并联构成，如图4-2所示。

且每一部件的可靠度R 都是0.9，则该计算机的可靠度为______。

A．0.980 B．0.990 C．0.995 D．0.999[要点解析]对于本试题的解答思路如下，①先将部件R1和R2看成一个并联系统，该并联系统的可靠度R(t)=2×0.9-0.92=1.8-0.81=0.99。

S2：两个尾数相加求和。
S3：规格化尾数，数前导0，左移尾数
S4：修改阶码
设4个段的延时为
S1=60ns S2=50ns S3=90ns S4=80ns
L=10ns
四个阶段最大延迟时间为90+10=100ns，流水线满载运行
时，每100ns可完成一次浮点加法操作。
顺序执行时，完成一次浮点加法操作需要的时间为：
同一功能部件所发生的冲突。例如：
时钟1 2 3 4 5 6 7 8
指令LOAD IF ID EXMEMWB
指令I+1 IF ID EX MEM WB
指令I+2 IF ID EX MEM WB
指令I+3IFID EX MEM WB
访存冲突
解决冲突的办法：停顿一拍流水线。
指令LOAD IF ID EX MEM WB
行操作栈、数据缓冲站等。先行控制结构图如下：
数据缓冲栈
5.2.2标量流水工作原理
流水是重叠方式的进步发展，如把一条指令的解释细
分为：取指、译码、执行、访存、写回寄存器五个子过程，
相邻指令之间多个子过程时间上重叠操作，如下图所示。
S空间
(功能段)建立(填入)正常(满载)排空
S5 1 2 3 4 5 n
的段数m应尽可能大，即加大流水线深度。
3.效率(E)
效率是指流水线中的各功能段的利用率。具体可用流
水线各段处于工作时间的时空区与流水各段总的时空区的
比来衡量流水线的效率。
n个任务占用的时空区
m段总的时空区
这说明效率与实际吞吐率Tp成正比。
5.2.5流水线性能分析举例
设有A，B两个向量：
A = (a1，a2，a3，a4)