系统结构-3流水线

性能指标

①吞吐率：单位时间内完成的任务数

$TP=\frac{n}{T_k}$

• 每段时间相等（n个任务，每个k段）

  $T_总=k \Delta t+(n-1)\Delta t$

• 每段时间不完全相等（n个任务，每个k段）

  $T_总=\sum_{i=1}^{k}\Delta t_i+(n-1)(\Delta t_1,\Delta t_2,...,\Delta t_n)$

②加速比

$S=\frac{T_s}{T_k}=\frac{nk}{k+(n-1)}$ （>1）

加速前/加速后

③效率：流水线设备利用率

实际使用时间/整个运行时间（占用方格/整块面积）

$E=\frac{实际使用时间}{整个运行时间}=\frac{nk\Delta t}{k[k\Delta t+(n-1)\Delta t]}=\frac{n}{k+n-1}$

即⭐$E=TP\Delta t=\frac{S}{k}$

非线性流水线的调度

单功能

[例题]

禁止表$F={1,5,6,8}$

冲突向量$C_0=(10110001)$

① $C_{\text{next}}$ (状态转换)

$C_{\text{current}} = (c_N \dots c_j \dots c_1)$ $j$ = 间隔 (允许 $\iff c_j = 0$) $C_{\text{next}} = \text{SHR}^{(j)}(C_{\text{current}}) \lor C_0$​

j等于多少就右移几位

✅计算

State: $C = 10110001$ ($C_0$)

• $c_2=0, c_3=0, c_4=0, c_7=0 \implies j \in \{2, 3, 4, 7\}$
• $j=2$:
  • $C' = \text{SHR}^{(2)}(10110001) \lor C_0$
  • $C' = 00101100 \lor 10110001 = 10111101$
  • $10110001 \xrightarrow{2} 10111101$
• $j=3$:
  • $C' = \text{SHR}^{(3)}(10110001) \lor C_0$
  • $C' = 00010110 \lor 10110001 = 10110111$
  • $10110001 \xrightarrow{3} 10110111$
• $j=4$:
  • $C' = \text{SHR}^{(4)}(10110001) \lor C_0$
  • $C' = 00001011 \lor 10110001 = 10111011$
  • $10110001 \xrightarrow{4} 10111011$
• $j=7$:
  • $C' = \text{SHR}^{(7)}(10110001) \lor C_0$
  • $C' = 00000001 \lor 10110001 = 10110001$
  • $10110001 \xrightarrow{7} 10110001$

---

State: $C = 10111101$

• $c_2=0, c_7=0 \implies j \in \{2, 7\}$
• $j=2$:
  • $C' = \text{SHR}^{(2)}(10111101) \lor C_0$
  • $C' = 00101111 \lor 10110001 = 10111111$
  • $10111101 \xrightarrow{2} 10111111$
• $j=7$:
  • $C' = \text{SHR}^{(7)}(10111101) \lor C_0$
  • $C' = 00000001 \lor 10110001 = 10110001$
  • $10111101 \xrightarrow{7} 10110001$

……循环直至找不到新的状态

多功能

教材p68-69

流水线相关与冲突

经典5段流水线

IF - ID - EX - MEM - WB

取指-译码-执行-访存-写回

相关

指2条指令之间存在某种依赖关系（即不能完全重叠执行）

• ①数据相关

• ②名相关：访问的寄存器/存储单元名称

  • 反相关：j写的名=i读的名

    • 消除

      

  • 输出相关：j写的名=i写的名

• ③控制相关：因程序的执行方向可能被改变而引起

  若读入分支指令，需要stall至ex之后，在mem阶段才能取下一条指令

  • 有k段的指令流水线，最坏情况下每一次条件转移指令造成k-1个“停顿”；条件转移指令占比为p，转移成功概率为q。$T_{K-IF}=(n+k-1)\Delta t+pqn(k-1)\Delta t$

  • 条件转移影响的流水线吞吐率$TP_{IF}=\frac{n}{(n+k-1)\Delta t+pqn(k-1)\Delta t}$​

  • 预测：选概率发生高的分支，运行不写回。

    猜对→继续执行；猜错→作废，返回。

延迟分支方法

• 编译器 实现（都是静态调度）

  • ①从分支前调度：调一条不相干的指令
  • ②从分支失败处调度（猜“不跳转”）：把下一条的下一条调来
  • ③从分支目标处调度（猜“跳转”）：把目标的下一条调来

冲突

• ①结构冲突

  硬件资源不足。引入停顿 stall 来消除

• ②数据冲突

  数据没准备好

• ③控制冲突

  不知道该取哪条指令（如：执行下一条 / 跳转）

多指令发射技术

①超标量处理机

标量处理机：1条指令流水线，单发射技术

拥有 ≥2 条指令流水线，多发射技术

• 性能分析

  每周期发射m条指令：

  执行时间 $$T(m,1)=(k+\frac{N-m}{m})\Delta t$$

​ 最大加速比$S(m,1)_{max}=m$​

②超长指令字处理机(VLIW)

和超标量处理机（CPU硬件完成）不同，它由编译器来完成分析调度，CPU只执行

③超流水线处理机

把每个流水线进一步细分