计算机组成与系统结构课件：流水线技术.pptxVIP

流水线技术;

7.1流水线处理的概念;

7.1.2CPU中流水线的一般结构及运作

在CPU中,流水线的一般结构如图7.1所示,这是一个典型的m级流水线,它由m个段(Stage或Segment,也称为级)S1,S2,…,Sm组成。段Si包含一个多字输入的寄存器或缓冲器Ri和一个实现特定操作的功能部件Ci。Ri缓存流水线中前一段Ci-1产生的结果,并作为Ci的输入,同时也起到各段隔离的作用,防止相邻段间相互干扰,以确保各段功能部件可以并行独立地工作。每一段对通过它的信息同时完成各自独立的操作处理,最终的处理结果仅在一组信息通过了整个流水线各段之后才能获得。;;

假设对一组信息的处理需要经过m个段,每段的锁存与处理时间为τ,那么τ就是流水线的时钟周期TLCLK。在非流水线处理中,每经过mτ时间才可以获得对一组信息的处理结果;而在流水线处理中,尽管一组信息的处理时间仍为mτ时间,但在不增加处理设备的情况下,使流水线各段操作时间重叠,这样每经过τ时间就可以获得对一组信息的处理结果,所以流水线可以提高单位时间内信息的处理量。这就是并行处理中的时间重叠技术。采用该技术的目的是希望单条流水线的吞吐量达到每个时钟周期产生一个结果的目标。;

从上述分析可以得出以下结论:

(1)流水过程由多个相互关联的子过程组成,每个子过程由专用的功能部件实现,每个子过程称为流水线的级或段,级数称为流水线的深度,各段间需要缓冲器隔离。

(2)流水线需要有通过时间(第一个结果开始流出流水线所需的时间,也称装入时间或填充时间),在此之后流水过程才进入稳定工作状态,每一个流水线时钟周期(节拍)流出一个结果。流水线上的时钟可以由系统时钟生成,也可以使用独立时钟,频率一般取为系统主频的1/n(n≥1)。;

(3)流水线不能缩短单个任务的响应时间,但可以提高吞吐率。

(4)流水线速度受限于最慢流水线段的运行速度,所以各个功能段所需时间应尽量相等(典型为一个流水线时钟周期),否则运行时间长的功能段将成为流水线的瓶颈,造成流水线的停顿(也称断流或阻塞)。

(5)流水线技术适合于大量重复的处理过程,只有???水线的输入能连续地提供任务,流水线的效率才能得到充分的发挥。

(6)流水线中多个任务是并行处理的。;

7.1.3流水线的类型

1.按位于计算机系统的层次划分

按流水线位于计算机系统的层次,流水线可以分为系统级流水线、处理器级流水线、部件级流水线。系统级流水线也称为宏流水线,是指在多(计算)机系统中由多个处理机串行构成的流水线,如图7.2所示。;

处理器级流水线是指在处理器内部由多个部件构成的流水线,其典型就是指令流水线。图7.3(a)是Intel8086中的指令流水线,这是一个初级的指令流水线,它仅由两段构成。取指部件从内存中获取指令并将其存入指令缓冲队列中,执行部件从指令缓冲队列中取出指令并加以译码、执行。由于在取指部件与执行部件之间有一个6字节的指令缓冲队列,使得取指部件可以在执行部件工作期间从内存中预取一至多条指令存入指令缓冲队列中,这样执行部件只需要从速度较快的指令缓冲队列获取指令执行即可。也就是说,当执行部件在执行第i条指令时,取指部件正在取得第i+1条指令甚至第i+2条指令,两者并行工作的效果如图7.3(b)所示。n条指令的运行时间仅由执行部件对n条指令的执行时间确定,而n-1条指令的获取时间被隐含在执行时间内。;;

部件级流水线是指在处理器中某部件内部由多个子部件构成的流水线。例如,运算器中的浮点运算流水线,控制器中的微程序控制单元流水线,它们也被称为操作流水线。图7.4是一个两段流水线的微程序控制单元。取微指令段S1由微程序计数器μPC和控制存储器CM组成,μPC提供微指令地址,CM存储微指令。μPC有双重作用,它既是CM地址的提供源,又是S1段的缓冲寄存器;;

2.按功能强弱划分

按流水线功能的强弱,流水线可以分为单功能流水线和多功能流水线。

单功能流水线是指只能实现一种功能的流水线。美国Cray公司是世界超级计算机(Supercomputer)的代表之一,1976年第一个Cray-1向量计算机被安装在洛斯阿拉莫斯国家实验室(LosAlamosNationalLaboratory),它具有每秒160百万次浮点运算速度和8兆字节主存储器。Cray-1计算机有12条单功能运算流水线,分别完成地址加、地址乘、标量加、标量移位、标量逻辑运算、标量计数、向量加、向量移位、向量逻辑运算、浮点加、浮点乘、浮点迭代求倒数。将多个单功能流水线加以组合就可以实现多功能的流水操作