第三章流水线技术 3.1名词解释 1.流水线一—将一个重复的时序过程,分解为若干个子过程,而每一个子过程都可有效地 在其专用功能段上与其他子过程同时执行 2.单功能流水线——只能完成一种固定功能的流水线 3.多功能流水线一一流水线的各段可以进行不同的连接,从而使流水线在不同的时间 者在同一时间完成不同的功能 4.静态流水线一一同一时间内,流水线的各段只能按同一种功能的连接方式工作。 5.动态流水线一一同一时间内,当某些段正在实现某种运算时,另一些段却在实现另一种 运算。 6.部件级流水线一—(运算操作流水线)把处理机的算术逻辑部件分段,以便为各种数据 类型进行流水操作 7.处理机级流水线一—(指令流水线)把解释指令的过程按照流水方式处理。 8.处理机间流水线——(宏流水线)由两个以上的处理机串行地对同一数据流进行处理, 每一个处理机完成一项任务。 9.线性流水线一一指流水线的各段串行连接,没有反馈回路。 10.非线性流水线—一指流水线中除有串行连接的通路外,还有反馈回路。 11.标量流水处理机一一处理机不具有向量数据表示,仅对标量数据进行流水处理。 12.向量流水处理机一一处理机具有向量数据表示,并通过向量指令对向量的各元素进行处 理 3.结构相关—一某些指令组合在流水线中重叠执行时,发生资源冲突,则称该流水线有结 构相关 14.数据相关一一当指令在流水线中重叠执行时,流水线有可能改变指令读/写操作的顺序, 使得读/写操作顺序不同于它们非流水实现时的顺序,将导致数据相关 15.定向一一将计算结果从其产生的地方直接送到其他指令需要它的地方,或所有需要它 功能单元,避免暂停。 16.RAW——两条指令i,j,i在j前进入流水线,j执行要用到i的结果,但当其在流水线中 重叠执行时,j可能在i写入其结果之前就先行对保存该结果的寄存器进行读操作,得到 错误值。 17.wAW—一两条指令i,j,i在j前进入流水线,j、i的操作数一样,在流水线中重叠执行 时,j可能在i写入其结果之前就先行对保存该结果的寄存器进行写操作,导致写错误 18.wAR——两条指令i,j,i在j前进入流水线,j可能在i读某个寄存器之前对该寄存器进 行写操作,导致i读出数据错误 第1页共52页
第 1 页 共 52页 第三章 流水线技术 3.1 名词解释 1. 流水线——将一个重复的时序过程，分解为若干个子过程，而每一个子过程都可有效地 在其专用功能段上与其他子过程同时执行。 2. 单功能流水线——只能完成一种固定功能的流水线。 3. 多功能流水线——流水线的各段可以进行不同的连接，从而使流水线在不同的时间，或 者在同一时间完成不同的功能。 4. 静态流水线——同一时间内，流水线的各段只能按同一种功能的连接方式工作。 5. 动态流水线——同一时间内，当某些段正在实现某种运算时，另一些段却在实现另一种 运算。 6. 部件级流水线——（运算操作流水线）把处理机的算术逻辑部件分段，以便为各种数据 类型进行流水操作。 7. 处理机级流水线——（指令流水线）把解释指令的过程按照流水方式处理。 8. 处理机间流水线——（宏流水线）由两个以上的处理机串行地对同一数据流进行处理， 每一个处理机完成一项任务。 9. 线性流水线——指流水线的各段串行连接，没有反馈回路。 10. 非线性流水线——指流水线中除有串行连接的通路外，还有反馈回路。 11. 标量流水处理机——处理机不具有向量数据表示，仅对标量数据进行流水处理。 12. 向量流水处理机——处理机具有向量数据表示，并通过向量指令对向量的各元素进行处 理。 13. 结构相关——某些指令组合在流水线中重叠执行时，发生资源冲突，则称该流水线有结 构相关。 14. 数据相关——当指令在流水线中重叠执行时，流水线有可能改变指令读/写操作的顺序， 使得读/写操作顺序不同于它们非流水实现时的顺序，将导致数据相关。 15. 定向——将计算结果从其产生的地方直接送到其他指令需要它的地方，或所有需要它的 功能单元，避免暂停。 16. RAW——两条指令 i，j，i 在 j 前进入流水线，j 执行要用到 i 的结果，但当其在流水线中 重叠执行时，j 可能在 i 写入其结果之前就先行对保存该结果的寄存器进行读操作，得到 错误值。 17. WAW——两条指令 i，j，i 在 j 前进入流水线，j、i 的操作数一样，在流水线中重叠执行 时，j 可能在 i 写入其结果之前就先行对保存该结果的寄存器进行写操作，导致写错误。 18. WAR——两条指令 i，j，i 在 j 前进入流水线，j 可能在 i 读某个寄存器之前对该寄存器进 行写操作，导致 i 读出数据错误
3.2简述流水线技术的特点。 (1)流水过程由多个相联系的子过程组成,每个过程称为流水线的“级”或“段” (2)每个子过程由专用的功能段实现 (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”; (4)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态,每一个时钟周期(拍)流出一个结 (5)流水技术适合于大量重复的时序过程,只有在输入端能连续地提供任务,流水线 的效率才能充分发挥。 3.3请画出DX基本流水线,并简述其工作原理 工作原理:把一条DX指令在5个周期内实现,将每一个时钟周期看作是流水线的一个 时钟周期,硬件每个时钟周期启动一条新的指令,并执行5条不同指令中的某一部分。每条指 令虽仍需5个时钟周期完成,但提高了吞吐率,实现了流水。 指令/时钟123 56 IF ID EX MEM WB I+1 IF ID EX MEM WB F ID EX MEM WB IF ID EX MEM WB IF ID EX MEM WB 3.5解决流水线结构相关的方法有哪些? (1)流水化功能单元 (2)资源重复 (3)暂停流水线 3.6降低流水线分支损失的方法有哪些? (1)在流水线中尽早判断出分支转移是否成功 (2)尽早计算出分支转移成功时的PC值(即分支的目标地址) “冻结”或“排空”流水线的方法 预测分支失败 预测分支成功 ●延迟分支 第2页共52页
第 2 页 共 52页 3.2 简述流水线技术的特点。 （1） 流水过程由多个相联系的子过程组成，每个过程称为流水线的“级”或“段” ； （2） 每个子过程由专用的功能段实现； （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”； （4） 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态，每一个时钟周期(拍)流出一个结果； （5） 流水技术适合于大量重复的时序过程，只有在输入端能连续地提供任务，流水线 的效率才能充分发挥。 3.3 请画出 DLX 基本流水线，并简述其工作原理。 工作原理：把一条 DLX 指令在 5 个周期内实现，将每一个时钟周期看作是流水线的一个 时钟周期，硬件每个时钟周期启动一条新的指令，并执行 5 条不同指令中的某一部分。每条指 令虽仍需 5 个时钟周期完成，但提高了吞吐率，实现了流水。 指令/时钟 1 2 3 4 5 6 7 8 9 I IF ID EX MEM WB I+1 IF ID EX MEM WB I+2 IF ID EX MEM WB I+3 IF ID EX MEM WB I+4 IF ID EX MEM WB 3.5 解决流水线结构相关的方法有哪些？ （1） 流水化功能单元 （2） 资源重复 （3） 暂停流水线 3.6 降低流水线分支损失的方法有哪些？ （1）在流水线中尽早判断出分支转移是否成功； （2）尽早计算出分支转移成功时的 PC 值（即分支的目标地址） ⚫ “冻结”或“排空”流水线的方法 ⚫ 预测分支失败 ⚫ 预测分支成功 ⚫ 延迟分支
3.7请对延迟分支办法中的三种调度策略进行评价。 1.从前调动:分支必须不依赖于被调度的指令,总是可以有效提高流水线性能 2.从目标处调度:若分支转移失败,必须保证被调度的指令对程序的执行没有影响, 可能需要复制被调度指令。分支转移成功时,可提高流水线性能。但由于复制指令, 可能加大程序空间。 3.从失败处调度:若分支转移成功,必须保证被调度的指令对程序的执行无影响。分 支转移失败时,可提高流水线性能 3.8简述三种向量处理方法,它们对向量处理机的结构要求有什么不同? 1.水平处理方式:若向量长度为N,则水平处理方式相当于执行N次循环。若使用流水 线,在每次循环中可能出现数据相关和功能转换,不适合对向量进行流水处理。 2.垂直处理方式:将整个向量按相同的运算处理完毕之后,再去执行其他运算。适合对 向量进行流水处理,向量运算指令的源目向量都放在存储器内,使得流水线运算部 件的输入、输出端直接与存储器相联,构成M-M型的运算流水线。 3.分组处理方式:把长度为N的向量分为若干组,每组长度为n,组内按纵向方式处理 依次处理各组,组数为N n/适合流水处理。可设长度为n的向量寄存器,使每 组向量运算的源/目向量都在向量寄存器中,流水线的运算部件输入、输出端与向量 寄存器相联,构成R-R型运算流水线 3.9有一条流水线如下所示 一+2+a} 出 (1)求连续输入10条指令,该流水线的实际吞吐率和效率 (2)该流水线的瓶颈在哪一段?请采取三种不同的措施消除此“瓶颈”。对于你所给出 的新流水线,计算连续输入10条指令时,其实际吞吐率和效率。 解:(1 Tpm=>△t+(n-1)△tm 50+50+100+200)+9×200 2200(ns) %nm=均2 第3页共52页
第 3 页 共 52页 3.7 请对延迟分支办法中的三种调度策略进行评价。 1．从前调动：分支必须不依赖于被调度的指令，总是可以有效提高流水线性能。 2．从目标处调度：若分支转移失败，必须保证被调度的指令对程序的执行没有影响， 可能需要复制被调度指令。分支转移成功时，可提高流水线性能。但由于复制指令， 可能加大程序空间。 3．从失败处调度：若分支转移成功，必须保证被调度的指令对程序的执行无影响。分 支转移失败时，可提高流水线性能。 3.8 简述三种向量处理方法，它们对向量处理机的结构要求有什么不同？ 1．水平处理方式：若向量长度为 N，则水平处理方式相当于执行 N 次循环。若使用流水 线，在每次循环中可能出现数据相关和功能转换，不适合对向量进行流水处理。 2．垂直处理方式：将整个向量按相同的运算处理完毕之后，再去执行其他运算。适合对 向量进行流水处理，向量运算指令的源/目向量都放在存储器内，使得流水线运算部 件的输入、输出端直接与存储器相联，构成 M-M 型的运算流水线。 3．分组处理方式：把长度为 N 的向量分为若干组，每组长度为 n，组内按纵向方式处理， 依次处理各组，组数为 n N ，适合流水处理。可设长度为 n 的向量寄存器，使每 组向量运算的源/目向量都在向量寄存器中，流水线的运算部件输入、输出端与向量 寄存器相联，构成 R-R 型运算流水线。 3.9 有一条流水线如下所示。 1 2 3 4 50ns 50ns 100ns 200ns 入 出 （1）求连续输入 10 条指令，该流水线的实际吞吐率和效率； （2）该流水线的瓶颈在哪一段？请采取三种不同的措施消除此“瓶颈”。对于你所给出 的新流水线，计算连续输入 10 条指令时，其实际吞吐率和效率。 解：（1） 2200(ns) (50 50 100 200) 9 200 T t (n 1) tmax m i 1 pipeline i = = + + + + = + − = (ns ) 220 1 T TP n 1 pipeline − = =
E=TP 4114545% (2)瓶颈在3、4段。 变成八级流水线(细分) Pipeline=>△t+(n-1)△tmx =50×8+9×50 =850(s) TE nT incine=785 Ati E=T 40010 =≈58.82% 变成两级流水线(合并) 入 200ns 200ns T 200×2+9×200 2200(ns) %nm=2 E=TP TP.40010 90.91% 211 重复设置部件 第4页共52页
第 4 页 共 52页 45.45% 11 5 4 400 TP m t E TP m i 1 i = = = = （2）瓶颈在 3、4 段。 ⚫ 变成八级流水线（细分） 1 2 3_1 3_2 4_1 4_4 入 出 50ns 50ns 50ns 50ns 50ns 50ns 850(ns) 50 8 9 50 T t (n 1) tmax m i 1 pipeline i = = + = + − = (ns ) 85 1 T TP n 1 pipeline − = = 58.82% 17 10 8 400 TP m ti E TP m i 1 = = = = ⚫ 变成两级流水线（合并） 123 4 入 出 200ns 200ns 2200(ns) 200 2 9 200 T t (n 1) tmax m i 1 pipeline i = = + = + − = (ns ) 220 1 T TP n 1 pipeline − = = 90.91% 11 10 2 400 TP m ti E TP m i 1 = = = = ⚫ 重复设置部件
T 4-1 4-2 4-4 marindin =ssns 850× 8=%17≈5882% 3.10一个流水线由四段组成,其中每当流经第三段时,总要在该段循环一次才能流到第四段。 如果每段经过一次的时间都是△t,问 (1)当在流水线的输入端每△t时间输入任务时,该流水线会发生什么情况? (2)此流水线的实际吞吐率为多少?如果每2△t输入一个任务,连续处理10个任务的实 际吞吐率和效率是多少? (3)当每段时间不变时,如何提高该流水线的吞吐率?仍连续处理10个任务时,其吞吐 率提高多少? 解:(1)会发生流水线阻塞情况 stage3 stage3 stage4 stagel stage2 stall stage3 stage3 tagel stall stage3 stage4 nstr 4 l stagel stall stage2 stal stage3 stage3 stage4 第5页共52页
第 5 页 共 52页 1 2 3_1 3_2 4_1 4_2 4_3 4_4 1 1 1 1 2 2 2 2 3 3 3 3 4 4 4 4 5 5 5 5 6 6 6 6 7 7 7 7 8 8 9 9 10 10 8 9 10 8 9 10 850ns Time Stage (ns ) 85 1 T TP n 1 pipeline − = = 58.82% 17 10 850 8 E 400 10 = = 3.10 一个流水线由四段组成，其中每当流经第三段时，总要在该段循环一次才能流到第四段。 如果每段经过一次的时间都是△t，问： （1）当在流水线的输入端每△t 时间输入任务时，该流水线会发生什么情况？ （2）此流水线的实际吞吐率为多少？如果每 2△t 输入一个任务，连续处理 10 个任务的实 际吞吐率和效率是多少？ （3）当每段时间不变时，如何提高该流水线的吞吐率？仍连续处理 10 个任务 时，其吞吐 率提高多少？ 解：（1）会发生流水线阻塞情况。 Instr.1 stage1 stage2 stage3 stage3 stage4 instr.2 stage1 stage2 stall stage3 stage3 stage4 instr.3 stage1 stall stage2 stall stage3 stage3 stage4 instr.4 stall stage1 stall stage2 stall stage3 stage3 stage4 1 2 3-1 3-2 4-1 4-2 4-3 4-4