流水线工作原理

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1、会计学1流水线工作原理流水线工作原理 必须等必须等 上条上条 指令执行结束，才能确定指令执行结束，才能确定 下条下条 指令的地址，指令的地址，造成时间损失造成时间损失3.影响指令流水效率加倍的因素影响指令流水效率加倍的因素(1)执行时间执行时间 取指时间取指时间(2)条件转移指令条件转移指令 对指令流水的影响对指令流水的影响 解决办法？取指令取指令部件部件指令部件缓冲区执行指令部件猜测法第1页/共14页4.指令的六级流水指令的六级流水六级流水六级流水14 个时间单位个时间单位串行执行串行执行6 9 54个时间单位个时间单位完成完成 一一条指令条指令6 个时间单位个时间单位COFOEIWODIF

2、ICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFI指令指令 1指令指令 2指令指令 3指令指令 4指令指令 5指令指令 6指令指令 7指令指令 8指令指令 9 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14t注释注释第2页/共14页二、流水线性能二、流水线性能 1.吞吐率吞吐率 单位时间内单位时间内 流水线所完成指令流水线所完成指令 或或 输出结果输出结果 的的 数量数量 最大吞吐率最大吞吐率 实际吞吐率实际吞吐率 连续处理连续处理

3、n 条指令的吞吐率为条指令的吞吐率为设设 m 段的流水线各段时间为段的流水线各段时间为t tTpmax=1t tTp=m +(n-1)nt tt t第3页/共14页2.加速比加速比 Sp m 段的段的 流水线的速度流水线的速度 与等功能的与等功能的 非流水线的速度非流水线的速度 之比之比 设流水线各段时间为设流水线各段时间为 t 完成完成 n 条指令在条指令在 m 段流水线上共需段流水线上共需 T=m +(n-1)t t 完成完成 n 条指令在等效的非流水线上共需条指令在等效的非流水线上共需 T=nmt Sp=m +(n-1)nm=nmm+n-1 t t t 则则第4页/共14页由于流水线有由

4、于流水线有 建立时间建立时间 和和 排空时间排空时间因此各功能段的因此各功能段的 设备不可能设备不可能 一直一直 处于处于 工作工作 状态状态 流水线中各功能段的流水线中各功能段的 利用率利用率3.效率效率 mt31245312453124531245 n-1 nn-1 nn-1 nn-1 nT时间时间S空间空间空间空间S4S3S2S1(n-1)t第5页/共14页m(m+n-1)t =mnt 流水线各段处于工作时间的时空区流水线各段处于工作时间的时空区流水线中各段总的时空区流水线中各段总的时空区 效率效率=3.效率效率 mt31245312453124531245 n-1 nn-1 nn-1

5、nn-1 nT时间时间S空间空间空间空间S4S3S2S1(n-1)t流水线中各功能段的流水线中各功能段的 利用率利用率第6页/共14页举例举例 用一条用一条5 5个功能段的浮点加法器流水线计算个功能段的浮点加法器流水线计算 分析分析首先需要考虑的是，首先需要考虑的是，10个数的的和最少需要做几次加法。个数的的和最少需要做几次加法。每个功能段的延迟时间均相等，流水线的输出端和输入端每个功能段的延迟时间均相等，流水线的输出端和输入端之间有直接数据通路，而且设置有足够的缓冲寄存器。要之间有直接数据通路，而且设置有足够的缓冲寄存器。要求用求用尽可能短尽可能短的时间完成计算，画出的时间完成计算，画出流水

6、线时空图流水线时空图，并计，并计算流水线的算流水线的实际吞吐率实际吞吐率、加速比加速比和和效率效率。我们可以发现，加法的次数是不能减少的：我们可以发现，加法的次数是不能减少的：9次次；于是我们要尽可能快的完成任务，就只有考虑如何让流水线于是我们要尽可能快的完成任务，就只有考虑如何让流水线尽可能尽可能充满，这需要消除这需要消除前后指令前后指令之间的之间的相关相关。由于加法满足交换率和结合率，我们可以调整运算次序如以下的指令序由于加法满足交换率和结合率，我们可以调整运算次序如以下的指令序列，我们把列，我们把中间结果寄存器中间结果寄存器称为称为R，源操作数寄存器源操作数寄存器称为称为A，最后，最后结

7、果寄结果寄存器存器称为称为F，并假设源操作数已经在寄存器中，则指令如下：，并假设源操作数已经在寄存器中，则指令如下：第7页/共14页I1：R1A1+A2I2：R2A3+A4I3：R3A5+A6I4：R4A7+A8I5：R5A9+A10I6：R6R1+R2I7：R7R3+R4I8：R8R5+R6I9：FR7+R8 这并这并这并这并不是唯一不是唯一不是唯一不是唯一可能的计算方法。假设功能段的延迟为可能的计算方法。假设功能段的延迟为可能的计算方法。假设功能段的延迟为可能的计算方法。假设功能段的延迟为tt。时时时时-空图如下，图中的空图如下，图中的空图如下，图中的空图如下，图中的数字数字数字数字是是是

8、是指令号指令号指令号指令号。第8页/共14页 32 1 4 1 1 1 1 2 2 2 2 3 3 3 34 4 4 4 5 5 5 5 5 6 6 6 6 6 7 7 7 7 7 8 8 8 8 8 9 9 9 9 921t部件m15432R1=A1+A2R2=A3+A4R3=A5+A6R4=A7+A8R5=A9+A10R6=R1+R2R7=R3+R4R8=R5+R6F=R7+R8R1R3R5R6R7R8FR2R4时间第9页/共14页整个计算过程需要整个计算过程需要21t21t，所以吞吐率为：，所以吞吐率为：加速比为：加速比为：效率为：效率为：第10页/共14页课后思考课后思考第11页/共1

9、4页本课到此结束本课到此结束谢谢大家谢谢大家第12页/共14页取指（取指（FI）：从存储器取出一条：从存储器取出一条指令并暂时存入指令部件的缓冲指令并暂时存入指令部件的缓冲区。区。指令译码（指令译码（DI）：确定操作性质：确定操作性质和操作数地址的形成方式。和操作数地址的形成方式。计算操作数地址（计算操作数地址（CO）：计算：计算操作数的有效地址，涉及到寄存操作数的有效地址，涉及到寄存器间址、间址、变址、基址、相器间址、间址、变址、基址、相对寻址等各种地址计算方式。对寻址等各种地址计算方式。取操作数（取操作数（FO）：从存储器中从存储器中取操作数取操作数(若操作数在寄存器中，若操作数在寄存器中，则无需此阶段则无需此阶段)。执行指令（执行指令（EI）：执行指令所需：执行指令所需的操作，并将结果存于目的位置的操作，并将结果存于目的位置(寄存器中寄存器中)。写操作数（写操作数（WO）：将结果存入：将结果存入存储器。存储器。返回第13页/共14页