【计算机系统结构】指令级高度并行的超级计算机

news2024/11/23 18:38:03

📝本文介绍
本文将以三种处理机:超标量处理机,超长指令字处理机,超流水线处理机来简要介绍指令高度并行的超级计算机

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文章目录

  • 📕超标量处理机
    • 📖概念
    • 📖典型架构
    • 📖单发射与多发射
    • 📖先行指令窗口
  • 📘超长指令字处理机
    • 📖概念
  • 📙超流水线处理机
    • 📖概念
    • 📖执行时序
    • 📖超标量超流水线处理机

📕超标量处理机

📖概念

  • 采用多指令流水线(度 = m)
  • 配置多套功能部件,指令译码电路和多组总线。
  • 适合求解稀疏向量,矩阵。
  • 利用增加硬件资源来换取处理机性能。
  • 采用的是空间并行性

  实际上,在图中表现出来就相当于有多个译码电路集成在一起,可以在同一时刻处理多条指令的译码
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📖典型架构

  • 多条指令流水线
  • 先进的超标量处理机有:定点处理部件CPU,浮点处理部件FPU,图形加速部件GPU
  • 大量的通用寄存器,两个一级高速Cache(可能为指令或数据)
  • 超标量处理机的指令级并行度大于1

📖单发射与多发射

单发射处理机:

  • 每个周期只取一条指令,译码一条指令,执行一条指令,写回一个结果。
  • 取指和译码部件只有一套,但操作部件可以为一个多功能操作部件或多个独立单功能部件。
  • 操作部件可以采用流水也可以不采用

例如:
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多发射处理机

  • 每个周期同时取多条指令、同时译码多条指令,同时执行多条指令,同时写回多个运算结果
  • 需要多个取指,译码,写结果部件
  • 设置多个指令执行部件,一般采用流水线结构
    如:
    在这里插入图片描述
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📖先行指令窗口

  • 能够从指令Cache中预取多条指令
  • 能够对窗口内的指令进行数据相关性分析和功能部件冲突的检测
  • 窗口的大小:一般为2至8条指令

📘超长指令字处理机

📖概念

  VLIW (Very Long Instruction Word)是将水平型微码和超标量处理两者结合的结构

  • 指令字长可达数百位,多个功能部件并发工作,共享大容量寄存器堆。
  • 是一种单指令多操作码多数据的系统结构(SIMOMD)
  • 简化了取指,译码。将多个操作组合成一条超长指令字,一次取指,译码(之后可以一多次执行)
    在这里插入图片描述

📙超流水线处理机

📖概念

  • 两种定义
    • 一个周期内能够分时发射多条指令的处理机称为超流水线处理机。
    • 指令流水线有8个或更多功能段的流水线处理机称为超流水线处理机。
  • 通过各硬件部分充分重叠工作来提高处理机性能
  • 采用时间并行性

📖执行时序

  • 每隔1/n个时钟周期发射一条指令,流水线周期为1/n个时钟周期。(在一个始终周期内可以发射n条指令)
    在这里插入图片描述

📖超标量超流水线处理机

概述

  把超标量与超流水线技术结合在一起,就成为超标量超流水线处理机

执行时序

  超标量超流水线处理机在一个时钟周期内分时发射指令n次,每次同时发射指令m条,每个时钟周期总共发射指令m × n条。
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