高等计算机系统结构模板ppt课件.ppt

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1、高等计算机系统结构第一章并行计算机模型第二章程序划分与调度第三章系统互连与通信第四章可扩展性能原理第五章并行存储器系统第六章高速缓存与共享存储器第七章指令级并行处理第八章标量处理机与向量处理机第九章并行模型、语言与编译器第十章并行程序设计与开发第八章标量处理机与向量处理机标量处理机只有标量数据表示和标量指令系统的处理机称为标量处理机提高指令执行速度的主要途径：(1)提高处理机的工作主频(2)采用更好的算法和设计更好的功能部件(3)采用指令级并行技术三种指令级并行处理机：(1)流水线处理机和超流水线(Super-pipelining)处理机(2)超

2、标量(Superscalar)处理机(3)超长指令字(VLIW:VeryLongInstructionWord)处理机第八章标量处理机与向量处理机8.1流水线技术8.2超标量处理机8.3超流水线处理机8.4超标量流水线处理机8.1流水线技术什么是流水线？考虑设计一个洗衣机的工作流程，假定它有三道工序：洗涤、清洗、甩干。每个环节为5分钟。需要完成的任务为3批，则考虑下述工作方式的工作效率：第一种：串行工作方式，即按照如下方式工作：第1批洗涤第1批清洗第1批甩干第2批洗涤第2批清洗第2批甩干第3批洗涤第3批清洗第3批甩干3批衣服的整个工作时间为3*3

3、*5=45分钟第二种：重叠工作方式，设计三个部件，可以同时工作，每个部件只做一样工作，操作方式如下图：第1批洗涤第1批清洗第1批甩干第2批洗涤第2批清洗第2批甩干第3批洗涤第3批清洗第3批甩干Tdtdtdtdtdt3批衣服的工作时间为5*5=25分钟，节省20分钟。引出下述关于洗衣机工作的有关性能特点：吞吐率：单位时间内完成的任务数TP=n/T加速比：串行方式与流水线方式的时间比：上述为45/25=1.8效率：即洗衣机的利用率，上述洗衣机的效率是1.8/3=3/5将一条指令的执行分为几个阶段，让几条指令按流水线工作----计算机中的流水线技术。包

4、含以下内容：指令的重叠执行流水线的表示方法流水线的特点流水线的性能分析流水线最佳段数的选择非线性流水线技术1、顺序执行方式一条指令的执行过程：取指令->分析->执行执行n条指令所用的时间为：如每段时间都为t，则执行n条指令所用的时间为：T=3nt主要优点：控制简单，节省设备。主要缺点：执行指令的速度慢，功能部件的利用率很低。取指令k分析k执行k取指令k+1分析k+1执行k+1指令的重叠执行方式2、一次重叠执行方式(一种最简单的流水线方式)如果两个过程的时间相等，则执行n条指令的时间为：T=(1+2n)t主要优点：指令的执行时间缩短功能部件的利用

5、率明显提高主要缺点：需要增加一些硬件控制过程稍复杂取指分析执行取指分析执行取指分析执行3、二次重叠执行方式把取第k+1条指令提前到分析第k条指令同时执行如果三个过程的时间相等，执行n条指令的时间为：T=(2+n)t理想情况下同时有三条指令在执行处理机的结构要作比较大的改变，必须采用先行控制方式取指k+2分析k+2执行k+2取指k+1分析k+1执行k+1取指k分析k执行k流水线的表示方法流水线的表示法有三种：连接图、时空图、预约表。主要考虑前二种。1、简单流水线的连接图表示流水线的每一个阶段称为流水步、流水步骤、流水段、流水线阶段、流水功能段、功

6、能段、流水级、流水节拍等。一个流水阶段与另一个流水阶段相连形成流水线。指令从流水线一端进入，经过流水线的处理，从另一端流出。有些复杂指令在执行阶段也采用流水线方式工作，称为操作流水线。取指令译码执行保存结果t1t2t3t42、一种指令流水线一般4至12个流水段，等于及大于8个流水段的称为超流水线处理机3、流水线的时空图采用“时空图”表示流水线的工作过程。一条简单流水线的时空图：取指形成操作数地址译码取操作数执行保存结果分析k分析k+1分析k+2分析k+3执行k执行k+1执行k+2执行k+3时间空间0t1t2t3t4t5一个浮点加法器流水

7、线的时空图(由求阶差、对阶、尾数加和规格化4个流水段组成)：ED1时间空间0t1t2t3t4t5ED2ED3ED4ED5EA1EA2EA3EA4EA5MA1MA2MA3MA4MA5NL1NL2NL3NL4NL5t6t7t8NL：规格化MA：尾数加EA：对阶ED：求阶差流水线的主要特点在流水线的每一个功能部件的后面都要有一个缓冲器，称为锁存器、闸门寄存器等，它的作用是保存本流水段的执行结果。各流水段的时间应尽量相等，否则会引起阻塞、断流等。只有连续提供同类任务才能充分发挥流水线的效率。在流水线的每一个流水线段中都要设置一个流水锁存器。流水线需要有“

8、装入时间”和“排空时间”。只有流水线完全充满时，整个流水线的效率才能得到充分发挥。衡量流水线性能的主要指标有：吞吐率、加速比和效率1、吞