高级流水线超长指令字.pptx

?
?
?
成员介绍
其实
张佳煜张旭朱旭宏
成员介绍
二、流水线核心思想
三、工作机制
四、其优缺点
一、流水线介绍
主要内容
流水线介绍
(1)定义
流水线(pipeline)技术是指在程序执行时多条指令重叠进行操作的一种准并行处理实现技术。流水线是Intel首次在486芯片中开始使用的。流水线的工作方式就象工业生产上的装配流水线。在CPU中由5—6个不同功能的电路单元组成一条指令处理流水线,然后将一条X86指令分成5—6步后再由这些电路单元分别执行,这样就能实现在一个CPU时钟周期完成一条指令,因此提高CPU的运算速度。经典奔腾每条整数流水线都分为四级流水,即指令预取、译码、执行、写回结果,浮点流水又分为八级流水。
流水线介绍
(2) 产生背景
借鉴了工业流水线制造的思想,现代CPU也采用了流水线设计。在工业制造中采用流水线可以提高单位时间的生产量;同样在CPU中采用流水线设计也有助于提高CPU的频率。例如装配一辆汽车需要4个步骤:冲压、焊接、涂装、总装;同时对应地需要冲压、焊接、涂装和总装四个工人。采用流水线的制造方式,同一时刻四辆汽车在装配。如果不采用流水线,那么第一辆汽车依次经过上述四个步骤装配完成之后,下一辆汽车才开始进行装配,最早期的工业制造就是采用的这种原始的方式。未采用流水线的原始制造方式,同一时刻只有一辆汽车在装配。
流水线介绍
不久之后就发现,某个时段中一辆汽车在进行装配时,其它三个工人处于闲置状态,显然这是对资源的极大浪费!于是开始思考能有效利用资源的方法:在第一辆汽车经过冲压进入焊接工序的时候,立刻开始进行第二辆汽车的冲压,而不是等到第一辆汽车经过全部四个工序后才开始。之后的每一辆汽车都是在前一辆冲压完毕后立刻进入冲压工序,这样在后续生产中就能够保证四个工人一直处于运行状态,不会造成人员的闲置。这样的生产方式就好似流水川流不息,因此被称为流水线。
流水线介绍
(3) 计算机应用
CPU的工作也可以大致分为指令的获取、解码、运算和结果的写入四个步骤,采用流水线设计之后,指令(好比待装配的汽车)就可以连续不断地进行处理。在同一个较长的时间段内,显然拥有流水线设计的CPU能够处理更多的指令。
流水线核心思想
超常指令字
(1)定义
超常指令字(VLIW:VeryLongInstructionWord)是由美国Yale大学教授Fisher提出的。它有点类似于超级标量,是一条指令来实现多个操作的并行执行,之所以放到一条指令是为了减少内存访问。通常一条指令多达上百位,有若干操作数,每条指令可以做不同的几种运算。那些指令可以并行执行是由编译器来选择的。通常VLIW机只有一个控制器,每个周期启动一条长指令,长指令被分为几个字段,每个字段控制相应的部件。由于编译器需要考虑数据相关性,避免冲突,并且尽可能利用并行,完成指令调度,所以硬件结构较简单。
超常指令字
(2)工作机制
在一个基本时钟周期内能够分时发射多条指令的处理机,一般流水线的级数多达8条及以上。超流水线处理机采用多相的高频时钟。一台度为m的超流水线处理机的时钟Δt’只是基本时钟周期Δt的1/m。如果一条指令的解释需要K个Δt,则共需KmΔt’的时钟解释。让指令之间错开一个Δt’的时间,重叠流水地工作,执行完N条指令的时间为:
[K+(N-1)/m] Δt
当N趋于无穷大时,并行度可达到最大值m。