内容提要 Digital Design and Computer Architecture ·流水线技术原理：4.5 ·RV的五级流水线实现：4.6 M< -Verilog行为级定义：4.13 MODERN PROCESSOR DESIGN 物 。Hazard问题：4.5.2 一结构冲突：哈佛结构 -数据依赖：4.7 ·编译技术：插入nop,指令重排，寄存器重命名 MIPS体系结构透 ·forwarding技术：RAW ·Interlock技术：Stall Run -控制相关：4.8 ·编译技术：延迟分支 ·硬件优化：提前完成，投机，预测 。多发射技术：4.10 Parallel Computer Organization 硬件多线程：6.4 and Design
内容提要 • 流水线技术原理：4.5 • RV的五级流水线实现：4.6 – Verilog行为级定义：4.13 • Hazard问题：4.5.2 – 结构冲突：哈佛结构 – 数据依赖：4.7 • 编译技术：插入nop，指令重排，寄存器重命名 • forwarding技术：RAW • Interlock技术：Stall – 控制相关：4.8 • 编译技术：延迟分支 • 硬件优化：提前完成，投机，预测 • 多发射技术：4.10 • 硬件多线程：6.4
Laundry Example 6 PM 7 8 9 10 11 Midnight 6PM 7 8 9 10 11 Midnight Time Time 30'402030'40203040203040'20 304040404020 T T a 同 6 福￥ d 6 6 同 6 。·4袋衣服：Wash(30),dry(40),fold(20) - Sequential Laundry:需要6小时：4x(30+40+20)=360分钟⑧ - Pipelined Laundry:需3.5小时：30+4x40+20=210分钟© ·前提：1)过程可分解，2)设备独立（单缸/滚筒，双缸？），3)作业等时 ·贪心：Start work ASAP!一袋衣服？ ·流水线目标：提升“吞吐率”，缩短“完成时间”。IPC?CP? CSC顺序模型，RISC指令级并行模型(LP)
Laundry Example • 4 袋衣服：Wash（30）, dry（40）, fold（20） – Sequential Laundry：需要 6 小时：4x(30+40+20)=360分钟 – Pipelined Laundry：需3.5小时：30+4x40+20=210分钟☺ • 前提：1）过程可分解，2）设备独立（单缸/滚筒，双缸？），3）作业等时 • 贪心：Start work ASAP！一袋衣服？ • 流水线目标：提升“吞吐率”，缩短“完成时间”。IPC？CPI? • CISC顺序模型，RISC指令级并行模型（ILP）
指令流水线时空图(Gantt chart)：六级 CPI=?IPC=? L1L23456L78⊥910111213114 指令1巴，lp9 指令2 指令3 指令4 Lplc9FoE画wg 指令5 FI DI COFOL EL WO 指令6 E巴PLlC9ELwo 指令7 FL DIICOLFO EL WO 指令8 {D49马w9 指令9 4P449404马y llxx@ustc.edu.cn
llxx@ustc.edu.cn 4 指令流水线时空图（Gantt chart）：六级 CPI=? IPC=?
流水线性能：Pipelining Idealism ·CPI,IPC,加速比(speedup) -单周期，多周期，ppl? 非流水线执行时间 n*k*△t speedup= lim =k 流水线执行时间 n->0 k*△t+(n-1)*△t 从CC6开始，每个周期流出一条 指令，因此，CPI=IPC≈1。 L1L23L4⊥56⊥78⊥91011121314 每条指令的指令周期没变 指令1，poFo弘，wg 整体性能提升 指令3、 FL DLICO FOLEL WO 最坏情况？最好情况？PC≥1？ 指令4 FL DL COFOLEL WO 指令5 FL DLCO FOLEL WO PPL越深越好？ 指令6 FL DLCOFO ELWO 指令7 FL DL CO FOL EL WO 指令8 249马y9 指令9 144494马y9
5 流水线性能：Pipelining Idealism • CPI，IPC，加速比（speedup） – 单周期，多周期，ppl？ k k t n t n k t n = + − − * ( 1)* * * speedup ＝lim 流水线执行时间 非流水线执行时间 ＝ 从CC6开始，每个周期流出一条 指令，因此，CPI = IPC ≈ 1。 • 每条指令的指令周期没变 • 整体性能提升 最坏情况？最好情况？IPC≥1？ PPL越深越好？
流水线分类 ·单功能流水线：只能完成一种功能的流水线，如浮点加法流水线。 多功能流水线：流水线的各段可以进行不同的连接，从而使流水线在 不同的时间完成不同的功能。 ·静态流水线：在某一时间段内，流水线的各段只能按同一种功能的连 接方式工作，即只有当输入是一串相同性质的操作时其性能才能得到 发挥。 动态流水线：在某一段时间内，某些段正在实现某类操作（定点乘）， 其他段却在实现另一类操作（浮点加）。 顺序流水线：流水线的流出顺序与其流入顺序相同。 ·乱序流水线：流水线的流出顺序与其流入顺序不同。 静态调度流水线：不对指令执行顺序进行重排序。 动态调度流水线：对指令执行顺序进行重排序(“指令调度”)。 6
6 流水线分类 • 单功能流水线：只能完成一种功能的流水线，如浮点加法流水线。 • 多功能流水线：流水线的各段可以进行不同的连接，从而使流水线在 不同的时间完成不同的功能。 • 静态流水线：在某一时间段内，流水线的各段只能按同一种功能的连 接方式工作，即只有当输入是一串相同性质的操作时其性能才能得到 发挥。 • 动态流水线：在某一段时间内，某些段正在实现某类操作（定点乘）， 其他段却在实现另一类操作（浮点加）。 • 顺序流水线：流水线的流出顺序与其流入顺序相同。 • 乱序流水线：流水线的流出顺序与其流入顺序不同。 • 静态调度流水线：不对指令执行顺序进行重排序。 • 动态调度流水线：对指令执行顺序进行重排序（“指令调度”）