计算机系统结构第四章.ppt
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计算机系统结构多媒体教程课件_第四章 存储系统
2013-8ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ31 《计算机系统结构》多媒体课件 15
结论：CPU在执行程序时， 所用到的指令和数据的MEM 单元地址分布不会是随机的， 而是相对集中成自然的块或 页面(MEM中较小的连续单元 区)。
2013-8-31
《计算机系统结构》多媒体课件
5
Embedded , desktop, server computers
2013-8-31 《计算机系统结构》多媒体课件 6
1、MEM容量、速度、价 格的矛盾 2、存贮体系层次 3、程序的局部性 4、存贮体系的性能参数
2013-8-31 《计算机系统结构》多媒体课件 7
2013-8-31
《计算机系统结构》多媒体课件
2
introduction
In 1980 microprocessors were often design without caches,while many come with two levels of caches on the chip. Why? !!!!
A A
Tm
2013-8-31
Tm
9
《计算机系统结构》多媒体课件
(3)频宽Bm： * MEM连续访问时，每单位时间内存取的信 息量以bit/s OR Byte/s为单位。 * 单体MEM ：Bm =W/TM * 多体并行MEM ：Bm =W·m/TM 理想状态下MEM满负荷工作的最大频宽。 * 实际上由于MEM不可能一直处于RD/WR , 所以实际频宽 < 最大频宽。
1、MEM 容量 * Sm＝W*L*m * W:MEM 存储体字长（以 bit OR Byte 为单位） L:单个存贮体字数 m：并行工作的MEM 体个 数 * Sm 单位为***bit OR ***B
结论：CPU在执行程序时， 所用到的指令和数据的MEM 单元地址分布不会是随机的， 而是相对集中成自然的块或 页面(MEM中较小的连续单元 区)。
2013-8-31
《计算机系统结构》多媒体课件
5
Embedded , desktop, server computers
2013-8-31 《计算机系统结构》多媒体课件 6
1、MEM容量、速度、价 格的矛盾 2、存贮体系层次 3、程序的局部性 4、存贮体系的性能参数
2013-8-31 《计算机系统结构》多媒体课件 7
2013-8-31
《计算机系统结构》多媒体课件
2
introduction
In 1980 microprocessors were often design without caches,while many come with two levels of caches on the chip. Why? !!!!
A A
Tm
2013-8-31
Tm
9
《计算机系统结构》多媒体课件
(3)频宽Bm： * MEM连续访问时，每单位时间内存取的信 息量以bit/s OR Byte/s为单位。 * 单体MEM ：Bm =W/TM * 多体并行MEM ：Bm =W·m/TM 理想状态下MEM满负荷工作的最大频宽。 * 实际上由于MEM不可能一直处于RD/WR , 所以实际频宽 < 最大频宽。
1、MEM 容量 * Sm＝W*L*m * W:MEM 存储体字长（以 bit OR Byte 为单位） L:单个存贮体字数 m：并行工作的MEM 体个 数 * Sm 单位为***bit OR ***B
计算机组成原理-第4章_指令系统
7. 段寻址方式(Segment Addressing)
方法：E由段寄存器的内容加上段内偏移地址而形成。
应用：微型机采用段寻址方式，20位物理地址为16位 段地址左移四位加上16位偏移量。
分类：① 段内直接寻址； ② 段内间接寻址； ③ 段间直接寻址； ④ 段间间接寻址；
9 堆栈寻址方式
堆栈：是一组能存入和取出数据的暂时存储单元。
*** 指令字长度
概念 指令字长度（一个指令字包含二进制代码的位数） 机器字长：计算机能直接处理的二进制数据的位数。 单字长指令 半字长指令 双字长指令
多字长指令的优缺点
优点提供足够的地址位来解决访问内存任何单元的寻址问题 ； 缺点必须两次或多次访问内存以取出一整条指令，降低了CPU的运 算速度，又占用了更多的存储空间。
*** 指令系统的发展与性能要求
*** 指令系统的发展
指令：即机器指令，要计算机执行某种操作的命令。
指令划分：微指令、机器指令和宏指令。
简单
复杂
指令系统：一台计算机中所有指令的集合；是表征
计算机性能的重要因素。
系列计算机：基本指令系统相同、基本体系结构相同 的一系列计算机。
*** 对指令系统性能的要求
（2）立即数只能作为源操作数，立即寻址主要用来给寄存 器或存储器赋初值。以A～F开头的数字出现在指令中时，前 面要加0。
（3）速度快（操作数直接在指令中，不需要运行总线周期）
（4）立即数作为指令操作码的一部分与操作码一起放在代 码段区域中。
（5）指令的长度（翻译成机器语言后）较长，灵活性较差。
【例】MOV AX， 10H 执行后（AX）=？ 其中：这是一条字操作指令，源操作数为立即寻址 方式，立即数为0010H，存放在指令的下两个单元。
《计算机体系结构》课件
ABCD
理解指令集体系结构、处 理器设计、存储系统、输 入输出系统的基本原理和 设计方法。
培养学生对计算机体系结 构领域的兴趣和热情，为 未来的学习和工作打下坚 实的基础。
CHAPTER
02
计算机体系结构概述
计算机体系结构定义
计算机体系结构是指计算机系统的整 体设计和组织结构，包括其硬件和软 件的交互方式。
CHAPTER
06
并行处理与多核处理器
并行处理概述
并行处理
指在同一时刻或同一时间间隔内 完成两个或两个以上工作的能力
。
并行处理的分类
时间并行、空间并行、数据并行和 流水并行。
并行处理的优势
提高计算速度、增强计算能力、提 高资源利用率。
多核处理器
1 2
多核处理器
指在一个处理器上集成多个核心，每个核心可以 独立执行一条指令。
间接寻址
间接寻址是指操作数的有效地址通过寄存器间接给出，计算机先取出 寄存器中的地址，再通过该地址取出操作数进行操作。
CHAPTER
04
存储系统
存储系统概述
存储系统是计算机体系结构中 的重要组成部分，负责存储和 检索数据和指令。
存储系统通常由多个层次的存 储器组成，包括主存储器、外 存储器和高速缓存等。
《计算机体系结构》ppt 课件
CONTENTS
目录
• 引言 • 计算机体系结构概述 • 指令系统 • 存储系统 • 输入输出系统 • 并行处理与多核处理器 • 流水线技术 • 计算机体系结构优化技术
CHAPTER
01
引言
课程简介
计算机体系结构是计算机科学的一门核心课程，主要研究计算机系统的基本组成、组织结构、工作原 理及其设计方法。
西安电子科技大学_计算机组成与体系结构_第4章存储系统_课件PPT
的时间一样。
存取方式 读写功能
随机读写：RAM 顺序(串行)访问：
顺序存取存储器 SAM 直接存取存储器 DAM
12
4.1 存储系统概述 4.1.2 存储器分类：不同的分类标准
存储信息的介质
在计算机中的用途
存放信息的易失(挥发)性
存取方式 读写功能
读写存储器 只读存储器
13
存储信息的介质
在计算机中的用途 存放信息的易失(挥发)性 存取方式 读写功能
易失：RAM 非易失：
ROM 磁盘
……
11
4.1 存储系统概述 4.1.2 存储器分类：不同的分类标准
存储信息的介质 在计算机中的用途 存放信息的易失(挥发)性
存储器的存取时间 与存储单元的物理 地址无关，随机读 写其任一单元所用
无
36
8086系统总线
D0～D7
A1～A13 MEMR MEMW
A0
D8～D15 A1～A13 MEMR MEMW
BHE
&
A19
A18
A17
&
A16 A15 A14
6264与8086系统总线的连接
6264
D0～D7
A0～A12
CS1
OE
WE
CS2
6264
D0～D7
A0～A12
CS1
OE
WE
CS2
74LS138
每次读出/写入的字节数 存取周期
价格
体积、重量、封装方式、工作电压、环境条件
14
4.1 存储系统概述 4.1.2 存储器的性能指标
容量 速度 可靠性
可维修部件的可靠性： 平均故障间隔时间（MTBF）
存取方式 读写功能
随机读写：RAM 顺序(串行)访问：
顺序存取存储器 SAM 直接存取存储器 DAM
12
4.1 存储系统概述 4.1.2 存储器分类：不同的分类标准
存储信息的介质
在计算机中的用途
存放信息的易失(挥发)性
存取方式 读写功能
读写存储器 只读存储器
13
存储信息的介质
在计算机中的用途 存放信息的易失(挥发)性 存取方式 读写功能
易失：RAM 非易失：
ROM 磁盘
……
11
4.1 存储系统概述 4.1.2 存储器分类：不同的分类标准
存储信息的介质 在计算机中的用途 存放信息的易失(挥发)性
存储器的存取时间 与存储单元的物理 地址无关，随机读 写其任一单元所用
无
36
8086系统总线
D0～D7
A1～A13 MEMR MEMW
A0
D8～D15 A1～A13 MEMR MEMW
BHE
&
A19
A18
A17
&
A16 A15 A14
6264与8086系统总线的连接
6264
D0～D7
A0～A12
CS1
OE
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CS2
6264
D0～D7
A0～A12
CS1
OE
WE
CS2
74LS138
每次读出/写入的字节数 存取周期
价格
体积、重量、封装方式、工作电压、环境条件
14
4.1 存储系统概述 4.1.2 存储器的性能指标
容量 速度 可靠性
可维修部件的可靠性： 平均故障间隔时间（MTBF）
计算机系统结构多媒体教程课件_第四章 控制方式——流水线2
平均间 隔拍数 4.50 3.67
调度策略
平均间 隔拍数
(3, 4, 3, 7) 4.25 (4, 3, 7) 4.67
3.50
5.00
(4, 7)
(7)
5.00
7.00
(3, 4, 7)
2013-8-31
4.67
12
《计算机系统结构》多媒体课件
最小平均等待时间（minimal average latency---MAL) 可见，最佳调度方案为（3，4），MAL=3 .5。对非C0 开始的调度方案由流水线控制器完成控制的过渡。 简单循环：每种状态只出现一次的等待时间循环 简单循环中由一些是迫切循环。 迫切循环：从各自的初始状态输出的边缘都具有最小 等待时间的循环。这样的循环首先是简单循环，并且 他们的平均等待时间必须比其他简单循环的更小。 从迫切循环中确定MAL • MAL应小于或等于状态图中任一迫切循环的平均等待 时间 • 上限是初始冲突向量的1个数再+1
t S 1 2 3 4 5 6 7 8 9
1
2 3
×
× × × × ×
×
4
5
2013-8-31
×
×
× ×
2
《计算机系统结构》多媒体课件
与时空图区别？ 动态流水线可以由一张以上的预约表来表示。 每张预约表表示的是某一功能求值的数据通过 流水线的时空流 预约表一行可以有多个符号,含义是在不同周期 重复使用同一段；一列中多个符号是指在一个 特定的时钟周期内并行使用多个周期。
2
7
4
7
10111101 2 10111111
2013-8-31
《计算机系统结构》多媒体课件
11
（5）找出最佳调度方案 从各个闭合回路中找出平均间隔最小的一个。 本例中调度方案如下：
第4章-计算机系统结构(第五版)李学干
为简单起见，以图4 - 4所示的二级存储体系(M1，M2)为
例来分析。 存储层次的每位价格为
c1 S M1 c2 S M 2 c S M1 S M 2
第4章 存储体系
图 4 - 4 二级存储体系的评价
第4章 存储体系
存储层次的等效访问时间TA= HTA (1 H )TA 。希望 1 2 TA越接近于 T ，即存储层次的访问效率e= TA /TA越接近于1 A 越好。
第4章 存储体系
图 4 - 14 主存页面表
第4章 存储体系
【例 4-1】
设有一道程序，有1~5页，执行时的页地址流(即依次用
到的程序页页号)为 2,3,2,1,5,2,4,5,3,2,5,2 若分配给该道程序的主存有3页，则图4 - 15表示FIFO、 LRU、OPT这3种替换算法对这3页的使用和替换过程。
第4章 存储体系
4.1 基本概念 4.2 虚拟存储器 4.3 高速缓冲存储器 4.4 三级存储体系
4.5 存储系统的保护
4.6 本章小结
第4章 存储体系
4.1 基 本 概 念
4.1.1 存储体系及其分支
前面已经讲过，为了同时满足存储系统的大容量、高速度 和低价格，需要将多种不同工艺的存储器组织在一起。 虚拟存储器是因为主存容量满足不了要求而提出来的。在
第4章 存储体系
2. 页式管理 段式存储中各段装入主存的起点是随意的，段表中的地 址字段很长，必须能表示出主存中任意一个绝对地址，加上 各段长度也是随意的，段长字段也很长，这既增加了辅助硬
件开销，降低了查表速度，也使主存管理麻烦。
例如，主存中已有A、B、C三个程序，其大小和位置如 图4 - 7所示，现有一长度为12 KB的D道程序想要调入。
例来分析。 存储层次的每位价格为
c1 S M1 c2 S M 2 c S M1 S M 2
第4章 存储体系
图 4 - 4 二级存储体系的评价
第4章 存储体系
存储层次的等效访问时间TA= HTA (1 H )TA 。希望 1 2 TA越接近于 T ，即存储层次的访问效率e= TA /TA越接近于1 A 越好。
第4章 存储体系
图 4 - 14 主存页面表
第4章 存储体系
【例 4-1】
设有一道程序，有1~5页，执行时的页地址流(即依次用
到的程序页页号)为 2,3,2,1,5,2,4,5,3,2,5,2 若分配给该道程序的主存有3页，则图4 - 15表示FIFO、 LRU、OPT这3种替换算法对这3页的使用和替换过程。
第4章 存储体系
4.1 基本概念 4.2 虚拟存储器 4.3 高速缓冲存储器 4.4 三级存储体系
4.5 存储系统的保护
4.6 本章小结
第4章 存储体系
4.1 基 本 概 念
4.1.1 存储体系及其分支
前面已经讲过，为了同时满足存储系统的大容量、高速度 和低价格，需要将多种不同工艺的存储器组织在一起。 虚拟存储器是因为主存容量满足不了要求而提出来的。在
第4章 存储体系
2. 页式管理 段式存储中各段装入主存的起点是随意的，段表中的地 址字段很长，必须能表示出主存中任意一个绝对地址，加上 各段长度也是随意的，段长字段也很长，这既增加了辅助硬
件开销，降低了查表速度，也使主存管理麻烦。
例如，主存中已有A、B、C三个程序，其大小和位置如 图4 - 7所示，现有一长度为12 KB的D道程序想要调入。
高级体系结构ppt课件
I1
2
2
3
3
4
4
5
5
H
6 7
G
6 7 J
Ω网的特点(2)：
并不是所有的置换在Ω网中一次通过便可 以实现。
Ω网是阻塞网络：出现冲突时，可以采用 几次通过的方法来解决冲突。
Ω网的广播功能： 0018个输出端
第0级
第1级
0
1
2 3
4 5
6 7
第2级 0 1
2 3
4 5
6 7
44开关构成的Ω网：多路洗牌
000
000
001
001
010
010
011
011
100
100
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101
110
110
111
111
0
12
3
4
56
7
6. PM2I函数（加减2i） 共有2n个互连函数，对N个结点的网络为
PM PM
2i 2i
( (
j j
) )
j 2i j 2i
mod mod
N N
其中，0 j N 1，0 i n 1，n log 2 N
000
000
001
001
010
010
011
011
100
100
101
101
110
110
111
111
0
12
3
4
56
7
Cube2: cube2 (X2 X1X0 ) (X2 X1X0 )
000
000
001
001
010
010
011
计算机组成原理4第四章存储器PPT课件精选全文
4.2
11
4.2
请问： 主机存储容量为4GB，按字节寻址，其地址线 位数应为多少位？数据线位数多少位？ 按字寻址（16位为一个字）,则地址线和数据线 各是多少根呢？
12
数据在主存中的存放
设存储字长为64位（8个字节），即一个存 取周期最多能够从主存读或写64位数据。
读写的数据有4种不同长度:
字节 半字 单字 双字
34
3. 动态 RAM 和静态 RAM 的比较
主存
DRAM
SRAM
存储原理
电容
触发器
集成度
高
低
芯片引脚
少
多
功耗
小
大
价格
低
高
速度
慢
快
刷新
有
无
4.2
缓存
35
内容回顾: 半导体存储芯片的基本结构 4.2
…… ……
地
译
存
读
数
址
码
储
写
据
线
驱
矩
电
线
动
阵
路
片选线
读/写控制线
地址线（单向） 数据线（双向） 芯片容量
D0
…… D 7
22
(2) 重合法（1K*1位重合法存储器芯片）
0 A4
0,00
…
0,31
0 A3
X 地
X0
32×32
… …
0址
矩阵
A2
译
0码
31,0
…
31,31
A1
器 X 31
0 A0
Y0 Y 地址译码器 Y31 A 9 0A 8 0A 7 0A 6 0A 5 0
计算机硬件系统-PowerPoint演示文稿幻灯片PPT
• 主要内容：总线、控制器、运算器、存储器、 输入系统和输出系统。
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第四章 计算机硬件系统
（3）计算机实现 • 是计算机组成的物理实现，即把一台完成逻辑
设计的计算机真正地制作出来，解决各部件的 物理结构，器件选择，电源供电、通风与冷却、 装配与制造工艺等各个方面的问题。
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第四章 计算机硬件系统
一、计算机硬件系统相关课程概述
计算机组成原理属于专业基础、核心硬件课程，必修。
数字逻辑和 集成电路 汇编语言程
序设计
先 修 课
计算机组 成原理
计算机体系 结构
计算机组 装与维护 接口技术 单片机原 理
后 续 课
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第四章 计算机硬件系统
二、计算机体系结构、组成与实现
Intel 公司的缔造者之一 Gordon Moore 提出
微芯片上集成的 晶体管数目每三年翻两番
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第四章 计算机硬件系统
Intel 公司的典型微处理器产品
8080 8086 80286 80386 80486 Pentium Pentium Pro Pentium Ⅱ Pentium Ⅲ Pentium Ⅳ
第四章 计算机硬件系统
计算机硬件系统-PowerPoint演 示文稿幻灯片PPT
本PPT课件仅供大家学习使用 请学习完及时删除处理 谢谢！
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第四章 计算机硬件系统
提要 ➢ 计算机硬件相关课程概述 ➢ 计算机体系结构、组成与实现 ➢ 计算机的发展、分类与应用 ➢ 计算机系统的基本组成及其层次结构 ➢ 计算机的工作过程和主要技术指标 ➢ 微型计算机组成 ➢ 微机选购与组装
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第四章 计算机硬件系统
（3）计算机实现 • 是计算机组成的物理实现，即把一台完成逻辑
设计的计算机真正地制作出来，解决各部件的 物理结构，器件选择，电源供电、通风与冷却、 装配与制造工艺等各个方面的问题。
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第四章 计算机硬件系统
一、计算机硬件系统相关课程概述
计算机组成原理属于专业基础、核心硬件课程，必修。
数字逻辑和 集成电路 汇编语言程
序设计
先 修 课
计算机组 成原理
计算机体系 结构
计算机组 装与维护 接口技术 单片机原 理
后 续 课
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第四章 计算机硬件系统
二、计算机体系结构、组成与实现
Intel 公司的缔造者之一 Gordon Moore 提出
微芯片上集成的 晶体管数目每三年翻两番
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第四章 计算机硬件系统
Intel 公司的典型微处理器产品
8080 8086 80286 80386 80486 Pentium Pentium Pro Pentium Ⅱ Pentium Ⅲ Pentium Ⅳ
第四章 计算机硬件系统
计算机硬件系统-PowerPoint演 示文稿幻灯片PPT
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第四章 计算机硬件系统
提要 ➢ 计算机硬件相关课程概述 ➢ 计算机体系结构、组成与实现 ➢ 计算机的发展、分类与应用 ➢ 计算机系统的基本组成及其层次结构 ➢ 计算机的工作过程和主要技术指标 ➢ 微型计算机组成 ➢ 微机选购与组装
计算机系统结构(第3版)教学课件第4章 指令级并行
▲
4/135
4.1 指令级并行
3. 循环级并行：使一个循环中的不同循环体并行执行。 ➢ 开发循环体中存在的并行性
最常见、最基本
➢ 指令级并行研究的重点之一
例如，考虑下述语句： for （i=1； i<=500； i=i＋1） a[i]=a[i]＋s；
每一次循环都可以与其他的循环重叠并行执行； 在每一次循环的内部，却没有任何的并行性。
▲
22/135
4.2 指令的动态调度
➢ 消除名相关
引入两个临时寄存器S和T
把这段代码改写为：
DIV.D
F0，F2，F4
ADD.D
S，F0，F8
S.D
S，0（R1）
SUB.D 两个F8都换名为T MUL.D
T，F10，F14 F6，F10，T
两个F6都换名为S
4. 基于Tomasulo算法的MIPS处理器浮点部件的基本结构
第4章 指令级并行
▲
1/135
4.1 指令级并行的概念 4.2 指令的动态调度 4.3 动态分支预测技术 4.4 多指令流出技术 4.5 循环展开和指令调度
▲
2/135
4.1 指令级并行
4.1.1 指令级并行的概念
➢ 几乎所有的处理机都利用流水线来使指令重叠并 行执行，以达到提高性能的目的。这种指令之间 存在的潜在并行性称为指令级并行。
➢ 读操作数（Read Operands，RO）：等待数据冲 突消失，然后读操作数。
(out of order execution)
IS
RO
检测结构冲突 检测数据冲突
▲
16/135
4.2 指令的动态调度
2. 在前述5段流水线中，是不会发生WAR冲突和WAW冲突 的。但乱序执行就使得它们可能发生了。
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保持异常行为是指：无论怎么改变指令的 执行顺序，都不能改变程序中异常的发生 情况。
➢ 即原来程序中是怎么发生的，改变执行 顺序后还是怎么发生。
➢ 弱化为：指令执行顺序的改变不能导致 程序中发生新的异常。
4.2 指令的动态调度
内容回顾： 1. 相关
• 相关是指两条指令之间存在某种依赖关系，是程序 固有的一种属性。
4.2 指令的动态调度
一、动态调度的基本思想
考虑下面一段代码： DIV.D F4，F0，F2 SUB.D F10，F4，F6 ADD.D F12，F6，F14
➢ SUB.D指令与DIV.D指令关于F4相关，导致流 水线停顿。
➢ ADD.D指令与流水线中的任何指令都没有关系， 但也因此受阻。
4.2 指令的动态调度
+ 停顿控制冲突
➢ 理想CPI是衡量流水线最高性能的一个指标。 通过减少右边各项，就能减小总的CPI，从 而提高IPC。
➢ IPC：Instructions Per Cycle （每个时钟周期完成的指令条数）
4.1 指令级并行的概念
1. 循环级并行：
使一个循环中的不同循环体并行执行。 开发循环体中存在的并行性是指令级并行研
– 记录和检测指令相关，操作数一旦就绪就 立即执行，把发生RAW冲突的可能性减少 到最小；
– 通过寄存器换名来消除WAR冲突和WAW冲突。
4.2 指令的动态调度
IBM 360/91首先采用了Tomasulo算法。
– IBM 360/91的设计目标是基于整个360系 列的统一指令集和编译器来实现高性能， 而不是设计和利用专用的编译器来提高性 能。
本章研究：如何通过各种可能的技术，获得 更多的指令级并行性。
硬件＋软件技术
必须要硬件技术和软件技术互相配合，才 能够最大限度地挖掘出程序中存在的指令 级并行。
4.1 指令级并行的概念
流水线处理机的实际CPI
➢ 理想流水线的CPI加上各类停顿的时钟周期 数：
CPI流水线 = CPI理想 + 停顿结构冲突 + 停顿数据冲突
究的重点之一 最基本的开发循环级并行的技术
– 循环展开（loop unrolling）技术 – 采用向量指令和向量数据表示
2. 相关与流水线冲突
静态指令调度 动态指令调度
4.1 指令级并行的概念
3. 对于正确地执行程序来说，必须保持的最关键 的两个属性是：数据流和异常行为。
数据流：指数据值从其产生者指令到其消 费者指令的实际流动。
– 读操作数（Read Operands，RO）：等待 数据冲突消失，然后读操作数。
(out of order execution)
IS
RO
检测结构冲突 检测数据冲突
4.2 指令的动态调度
有的代码在采用乱序执行后可能会发生WAR冲突 和WAW冲突。
例如，考虑下面的的基本流水线中：
ID
检测结构冲突 检测数据冲突
• 一旦一条指令受阻，其后的指令都将停顿。 • 解决办法：
允许乱序执行
4.2 指令的动态调度
为了允许乱序执行，我们将5段流水线的译码 阶段再分为两个阶段：
– 流出（Issue，IS）：指令译码，检查是 否存在结构冲突。 （in-order issue)
第四章 指令级并行
4.1 指令级并行的概念 4.2 指令的动态调度 4.3 动态分支预测技术 4.4 多指令流出技术 4.5 循环展开和指令调度
4.1 指令级并行的概念
几乎所有的处理机都利用流水线来使指令重 叠并行执行，以达到提高性能的目的。这种 指令之间存在的潜在并行性称为指令级并行。
（ILP：Instruction-Level Parallelism）
4.2 指令的动态调度
3. 冲突的解决
1）结构冲突：停顿（流水线气泡）
2）数据冲突：
• 定向传送技术
• 定向传送与停顿相结合
• 指令调度（依靠编译器）： 前提：在乱序流动的流水线中。 不足：可能会产生新的WAR或WAW冲突。
3）控制冲突： • 预测分支失败
静态调度
• 预测分支成功 都是通过编译器来实现
• 相关包括：名相关，数据相关，控制相关。
2. 冲突（ HAZARDS，也称为冒险）
• 冲突是指由于相关的存在，使得指令流中的下一条 指令不能在指定的时钟周期执行。
• 具体一次相关是否会导致实际冲突的发生以及该冲 突会带来多长的停顿，则是流水线的属性。
• 流水线冲突包括：结构冲突，数据冲突，控制冲突。
F4, F0, F2 F10, F4, F6
F6, F8, F14
存在数据相关 存在输出相关
WAR冲突
DIV.D F10, F1, F3
WAW冲突
SUB.D F10, F4, F6
Tomasulo算法可以通过使用寄存器重命名来消除。
4.2 指令的动态调度
二、Tomasulo算法
1.基本思想 核心思想：
需要更多地依赖于硬件。 – IBM 360体系结构只有4个双精度浮点寄存
器，限制了编译器调度的有效性。 – 360/91的访存时间和浮点计算时间都很长。
（也是Tomasulo算法要解决的问题）
4.2 指令的动态调度
寄存器换名可以消除WAR冲突和WAW冲突。
考虑之前的代码： DIV.D F4, F0, F2
从指令部件来
指 令 队 列 load/store 操作
store 缓冲器 数据
地址部件
load 缓冲器
6
5
4
3 2 1
地址
3 2 1
标识
浮点寄存器 FP
浮点操作 操作数总线 操作总线 保 留2 站1 标识
• 延迟转移技术
4.2 指令的动态调度
静态调度
➢ 依靠编译器对代码进行静态调度，以减 少相关和冲突。
➢ 它不是在程序执行的过程中，而是在编 译期间进行代码调度和优化。
➢ 通过把相关的指令拉开距离来减少可能 产生的停顿。
动态调度
➢ 在程序的执行过程中，依靠专门硬件对 代码进行调度，减少数据相关导致的停 顿。
存在反相关F6
SUB.D ADD.D DIV.D
F10, F4, F6
FS6,, F8, F14
FT1,0, F1, F3
存在数据相关F4 存在输出相关F10
消除名相关：引入两个临时寄存器S和T，分别 将第一个F10换成S，将后一个F6换成T。
基于Tomasulo算法的MIPS处理器浮点部件的 基本结构
➢ 即原来程序中是怎么发生的，改变执行 顺序后还是怎么发生。
➢ 弱化为：指令执行顺序的改变不能导致 程序中发生新的异常。
4.2 指令的动态调度
内容回顾： 1. 相关
• 相关是指两条指令之间存在某种依赖关系，是程序 固有的一种属性。
4.2 指令的动态调度
一、动态调度的基本思想
考虑下面一段代码： DIV.D F4，F0，F2 SUB.D F10，F4，F6 ADD.D F12，F6，F14
➢ SUB.D指令与DIV.D指令关于F4相关，导致流 水线停顿。
➢ ADD.D指令与流水线中的任何指令都没有关系， 但也因此受阻。
4.2 指令的动态调度
+ 停顿控制冲突
➢ 理想CPI是衡量流水线最高性能的一个指标。 通过减少右边各项，就能减小总的CPI，从 而提高IPC。
➢ IPC：Instructions Per Cycle （每个时钟周期完成的指令条数）
4.1 指令级并行的概念
1. 循环级并行：
使一个循环中的不同循环体并行执行。 开发循环体中存在的并行性是指令级并行研
– 记录和检测指令相关，操作数一旦就绪就 立即执行，把发生RAW冲突的可能性减少 到最小；
– 通过寄存器换名来消除WAR冲突和WAW冲突。
4.2 指令的动态调度
IBM 360/91首先采用了Tomasulo算法。
– IBM 360/91的设计目标是基于整个360系 列的统一指令集和编译器来实现高性能， 而不是设计和利用专用的编译器来提高性 能。
本章研究：如何通过各种可能的技术，获得 更多的指令级并行性。
硬件＋软件技术
必须要硬件技术和软件技术互相配合，才 能够最大限度地挖掘出程序中存在的指令 级并行。
4.1 指令级并行的概念
流水线处理机的实际CPI
➢ 理想流水线的CPI加上各类停顿的时钟周期 数：
CPI流水线 = CPI理想 + 停顿结构冲突 + 停顿数据冲突
究的重点之一 最基本的开发循环级并行的技术
– 循环展开（loop unrolling）技术 – 采用向量指令和向量数据表示
2. 相关与流水线冲突
静态指令调度 动态指令调度
4.1 指令级并行的概念
3. 对于正确地执行程序来说，必须保持的最关键 的两个属性是：数据流和异常行为。
数据流：指数据值从其产生者指令到其消 费者指令的实际流动。
– 读操作数（Read Operands，RO）：等待 数据冲突消失，然后读操作数。
(out of order execution)
IS
RO
检测结构冲突 检测数据冲突
4.2 指令的动态调度
有的代码在采用乱序执行后可能会发生WAR冲突 和WAW冲突。
例如，考虑下面的的基本流水线中：
ID
检测结构冲突 检测数据冲突
• 一旦一条指令受阻，其后的指令都将停顿。 • 解决办法：
允许乱序执行
4.2 指令的动态调度
为了允许乱序执行，我们将5段流水线的译码 阶段再分为两个阶段：
– 流出（Issue，IS）：指令译码，检查是 否存在结构冲突。 （in-order issue)
第四章 指令级并行
4.1 指令级并行的概念 4.2 指令的动态调度 4.3 动态分支预测技术 4.4 多指令流出技术 4.5 循环展开和指令调度
4.1 指令级并行的概念
几乎所有的处理机都利用流水线来使指令重 叠并行执行，以达到提高性能的目的。这种 指令之间存在的潜在并行性称为指令级并行。
（ILP：Instruction-Level Parallelism）
4.2 指令的动态调度
3. 冲突的解决
1）结构冲突：停顿（流水线气泡）
2）数据冲突：
• 定向传送技术
• 定向传送与停顿相结合
• 指令调度（依靠编译器）： 前提：在乱序流动的流水线中。 不足：可能会产生新的WAR或WAW冲突。
3）控制冲突： • 预测分支失败
静态调度
• 预测分支成功 都是通过编译器来实现
• 相关包括：名相关，数据相关，控制相关。
2. 冲突（ HAZARDS，也称为冒险）
• 冲突是指由于相关的存在，使得指令流中的下一条 指令不能在指定的时钟周期执行。
• 具体一次相关是否会导致实际冲突的发生以及该冲 突会带来多长的停顿，则是流水线的属性。
• 流水线冲突包括：结构冲突，数据冲突，控制冲突。
F4, F0, F2 F10, F4, F6
F6, F8, F14
存在数据相关 存在输出相关
WAR冲突
DIV.D F10, F1, F3
WAW冲突
SUB.D F10, F4, F6
Tomasulo算法可以通过使用寄存器重命名来消除。
4.2 指令的动态调度
二、Tomasulo算法
1.基本思想 核心思想：
需要更多地依赖于硬件。 – IBM 360体系结构只有4个双精度浮点寄存
器，限制了编译器调度的有效性。 – 360/91的访存时间和浮点计算时间都很长。
（也是Tomasulo算法要解决的问题）
4.2 指令的动态调度
寄存器换名可以消除WAR冲突和WAW冲突。
考虑之前的代码： DIV.D F4, F0, F2
从指令部件来
指 令 队 列 load/store 操作
store 缓冲器 数据
地址部件
load 缓冲器
6
5
4
3 2 1
地址
3 2 1
标识
浮点寄存器 FP
浮点操作 操作数总线 操作总线 保 留2 站1 标识
• 延迟转移技术
4.2 指令的动态调度
静态调度
➢ 依靠编译器对代码进行静态调度，以减 少相关和冲突。
➢ 它不是在程序执行的过程中，而是在编 译期间进行代码调度和优化。
➢ 通过把相关的指令拉开距离来减少可能 产生的停顿。
动态调度
➢ 在程序的执行过程中，依靠专门硬件对 代码进行调度，减少数据相关导致的停 顿。
存在反相关F6
SUB.D ADD.D DIV.D
F10, F4, F6
FS6,, F8, F14
FT1,0, F1, F3
存在数据相关F4 存在输出相关F10
消除名相关：引入两个临时寄存器S和T，分别 将第一个F10换成S，将后一个F6换成T。
基于Tomasulo算法的MIPS处理器浮点部件的 基本结构