流水线技术向量处理机

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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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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。

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

虚拟存储器的特点
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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。
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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
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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