【软考】流水线

news2024/9/21 20:43:15

目录

        • 一、指令控制方式
          • 1.1 说明
          • 1.2 顺序方式
          • 1.3 重叠方式
          • 1.4 流水方式
        • 二、流水线的种类
        • 三、流水的相关处理
          • 3.1 说明
          • 3.2 RISC 中采用的流水技术
            • 3.2.1 超流水线(Super Pipe Line)技术
            • 3.2.2 超标量(Super Scalar)技术
            • 3.2.3 超长指令字(Very Long Instruction Word,VLIW)技术
        • 四、吞吐率和流水建立时间
        • 五、例题
          • 5.1 例题1

一、指令控制方式
1.1 说明
  • 1.指令控制方式有顺序方式重叠方式流水方式3种。
1.2 顺序方式
  • 1.各机器指令之间顺序串行执行,执行完一条指令才能取下一条指令
  • 2.这种方式控制简单,但利用率低
1.3 重叠方式
  • 1.执行第1条指令的时候,可以开始执行第2条指令
  • 2.复杂性不高、处理速度较快
  • 3.容易发生冲突
  • 4.例如假设某计算机指令分为分析指令和执行指令两个小步骤,可以在某个时候,第一条指令中的执行指令和第二条指令中的分析指令同时在执行
  • 5.如图,指令1的执行指令和指令2的分析指令在同时执行
    在这里插入图片描述
1.4 流水方式
  • 1.流水方式是模仿工业生产过程的流水线(如汽车装配线)而提供的一种指令控制方式。
  • 2.流水技术(Pipelining)是把并行性或并发性嵌入到计算机系统里的一种形式,它把重复的顺序处理过程分解为若干子过程,每个子过程能在专用的独立模块上有效地并发工作。
  • 3.在概念上,流水可以看成是重叠的延伸。差别仅在于一次重叠是把指令解释分解为两个子过程,流水是分解为更多的子过程。
二、流水线的种类
  • 1.从流水的级别上,可分为部件级、处理机级以及系统级的流水。
  • 2.从流水的功能上,可分为单功能流水线和多功能流水线。
  • 3.从流水的连接上,可分为静态流水线和动态流水线。
  • 4.从流水是否有反馈回路,可分为线性流水线和非线性流水线。
  • 5.从流水的流动顺序上,可分为同步流水线和异步流水线。
  • 6.从流水线的数据表示上,可分为标量流水线和向量流水线。
三、流水的相关处理
3.1 说明
  • 1.由于流水时机器同时解释多条指令,这些指令可能有对同一主存单元或同一寄存器的“先写后读”的要求,这时就出现了相关。
  • 2.这种相关包括指令相关、访存操作数相关以及通用寄存器组相关等,它只影响相关的两条或几条指令,而且最多影响流水线的某些段推后工作,并不会改动指令缓冲器中预取到的指令内容,影响是局部的,所以称为局部性相关。
  • 3.解决局部性相关有两种方法:推后法通路法
  • 4.推后法是推后对相关单元的读,直至写入完成。
  • 5.通路法设置相关专用通路,使得不必先把运算结果写入相关存储单元,再从这里读出后才能使用,而是经过相关专用通路直接使用运算结果,以加快速度。
  • 6.转移指令(尤其是条件转移指令)与它后面的指令之间存在关联,使之不能同时解释。
  • 7.执行转移指令时,可能会改动指令缓冲器中预取到的指令内容,从而会造成流水线吞吐率和效率下降,比局部性相关的影响要严重得多,所以称为全局性相关。
  • 8.解决全局性相关有3种方法:猜测转移分支、加快和提前形成条件码、加快短循环程序的处理。
  • 9.条件转移指令有两个分支,一个分支是按原来的顺序继续执行下去,称为转移不成功分支;另一个分支是按转移后的新指令序列执行,称为转移成功分支。
  • 10.许多流水机器都猜选转移不成功分支,若猜对的几率很大,流水线的吞吐率和效率就会比不采用猜测法时高得多。
  • 11.尽早获得条件码以便对流水线简化条件转移的处理。
  • 12.例如,一个乘法运算所需的时间较长,但在运算之前就能知道其结果为正或为负,或者是否为0,因此,加快单条指令内部条件码的形成,或者在一段程序内提前形成条件码,对转移问题的顺利解决是很有好处的。
  • 13.由于程序中广泛采用循环结构,因此流水线大多采用特殊措施以加快循环程序的处理。
  • 14.例如,使整个循环程序都放入指令缓冲存储器中,对提高流水效率和吞吐率均有明显效果。
  • 15.中断和转移一样,也会引起流水线断流。好在中断出现的概率要比条件转移出现的概率低得多,因此只要处理好断点现场保护及中断后的恢复,尽量缩短断流时间即可。
3.2 RISC 中采用的流水技术
3.2.1 超流水线(Super Pipe Line)技术
  • 1.它通过细化流水、增加级数和提高主频,使得在每个机器周期内能完成一个甚至两个浮点操作。
  • 2.其实质是以时间换取空间。
  • 3.超流水机器的特征是在所有的功能单元都采用流水,并有更高的时钟频率和更深的流水深度。
  • 4.由于它只限于指令级的并行,所以超流水机器的 CPI(Clock Cycles Per Instruction,每个指令需要的机器周期数)值稍高。
3.2.2 超标量(Super Scalar)技术
  • 1.它通过内装多条流水线来同时执行多个处理,其时钟频率虽然与一般流水接近,却有更小的CPI。
  • 2.其实质是以空间换取时间。
3.2.3 超长指令字(Very Long Instruction Word,VLIW)技术
  • 1.VLIW 和超标量都是 20 世纪80年代出现的概念,其共同点是要同时执行多条指令,其不同在于超标量依靠硬件来实现并行处理的调度,VLIW 则充分发挥软件的作用,而使硬件简化,性能提高。
  • 2.VLIW 有更小的 CPI值,但需要有足够高的时钟频率。
四、吞吐率和流水建立时间
  • 1.吞吐率是指单位时间内流水线处理机流出的结果数。
  • 2.对指令而言,就是单位时间内执行的指令数。
  • 3.如果流水线的子过程所用时间不一样,则吞吐率p应为最长子过程的倒数。
  • 4.流水线开始工作,需经过一定时间才能达到最大吞吐率,这就是建立时间。
  • 5.若m个子过程所用时间一样,均为△t,则建立时间T=m△t。
五、例题
5.1 例题1
  • 1.题目
1.执行指令时,将每一节指令都分解为取指、分析和执行三步。已知取指时间为5△t,分析时间为2△t,
执行时间为3△t,如果按照[取指]k,[分析]k+1,[执行]k+2重叠的流水线方式执行指令,
从头到尾执行完500条指令需(B)△t。
A.2500
B.2505
C.2510
D.2515
  • 2.解析
1.流水线执行时间=流水线建立时间+(n-1)x流水线周期。
2.流水建立时间=5△t+2△t+3△t10△t。
3.流水线周期为时间最长的指令执行时间,即5△t。
4.流水线建立好时,已经执行了一次,所以剩下时间为(n-1)x5△t。

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