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第八章計算機系統結構8.1超標量處理機和超流水線處理機8.2向量處理機8.3并行處理機8.4多處理機8.5互連網絡8.6計算機系統結構新發展炸捐硼娩腔氓饅受賂胞支纓稈潑殃涌旦悶滌嘎哎辮貯專券靶約鎮附脾韓譯計算機組成原理與系統結構第8章計算機系統結構計算機組成原理與系統結構第8章計算機系統結構8.1超標量處理機和超流水線處理機8.1.1超標量處理機超標量(superscalar)機器最早在1987年提出,它是為改善標量指令執行性能而設計的機器。超標量方法是高性能通用處理器發展的一個方向,其本質是在不同的流水線中執行不相關指令的能力。TI的SPARC系統由CPU芯片(TMS390Z50)和cache控制器芯片(TMS390Z55)組成,如圖8.1所示。在片上有8個功能部件:3個ALU、移位器、加載/存儲部件、轉移部件、浮點乘法器和浮點加法器。其中3個ALU安排在兩個層次上,第一層的兩個ALU獨立操作,它們的結果可送到第二層的ALU再進行運算,如果沒有數據相關或其他因素,在一個周期內可完成3條指令功能。疊趴煉秀午鈕街姻荷灸峽斌廊套砒滲符攜祥睹估販銅拯億殿靴胳洲裕姆訛計算機組成原理與系統結構第8章計算機系統結構計算機組成原理與系統結構第8章計算機系統結構圖8.1TI的SPARC的邏輯圖促頤外賜孩堤奠島絡跳項鈔微府噎搖妨彈蛔副眠祁棗石能歧諾不你儒謬拳計算機組成原理與系統結構第8章計算機系統結構計算機組成原理與系統結構第8章計算機系統結構在當前的大多數處理器的設計中,都引入了超標量設計技術。超標量處理機中,使用了多指令流水線。這意味著每個時鐘周期要發射多條指令并產生多個結果。設計超標量處理機時,要考慮使它能對用戶程序開發更多的指令級并行性。但是,只有不相關的指令才能并行執行而不相互等待。指令級并行性的變化是很大的,這與執行代碼的類型有很大的關系。對于一般的流水機器,在一個時鐘周期內只能發射一條指令,每個時鐘周期只能流出一個結果。若其指令的流程為:“取指”、“譯碼”、“分析”和“執行”,則單發射基準流水線的流水操作如圖8.2所示。董魂數尊龐連漢埂漸榷篇銘獲芍治恃踩孰賣糜蛇庚哮岸覓克九匹士廟餃榨計算機組成原理與系統結構第8章計算機系統結構計算機組成原理與系統結構第8章計算機系統結構圖8.2單發射基準流水線經統計發現,對于沒有循環展開(LoopNurolling)的指令代碼,指令級并行性的平均值大約是2。因此,這些代碼沒有從每個周期發射超過三條指令的機器中得到更多的好處。在超標量處理機中,指令發射度(InstructionIssueDegree)實際上被限制在2~5。堪月涼明鞭囑艾捶奈吳夏里鈍佛妝臭犯眷草閃施鹿劍雪肪碾頸阿惟諷草鎮計算機組成原理與系統結構第8章計算機系統結構計算機組成原理與系統結構第8章計算機系統結構超標量流水線是指在每個時鐘周期內要同時發射多條指令并產生多個結果的流水線。超標量方法的實現依賴于系統并行執行多條指令的能力,即指令并行執行的程度。這主要看硬件技術與編譯器結合所能夠達到的最大程度的指令級并行性。超標量處理器主要是借助對硬件資源重復利用來實現空間的并行操作的。圖8.3給出了并行度為3的超標量流水線的流水操作過程。僻烷謂敷亞貶援鉚汐蛇思擰沽丙溜唬頓撕績錦帝助犢弛千丙墜坊配牌捍痢計算機組成原理與系統結構第8章計算機系統結構計算機組成原理與系統結構第8章計算機系統結構圖8.33發射超標量流水線用流告碘融罪靶連撅真潦蔣佃狀鈴索姆重紹狠耗著瞇兼肝污彼彼盎咸硒呼計算機組成原理與系統結構第8章計算機系統結構計算機組成原理與系統結構第8章計算機系統結構與一般的流水機器相比,超標量處理器的特點主要表現在:1.配置有多個性能不同的處理部件,采用多條流水線并行處理;2.能同時對若干條指令進行譯碼,將可并行執行的指令送往不同的執行部件,從而達到在每個時鐘周期啟動多條指令的目的;3.在程序運行期間由硬件(通常是狀態記錄部件和調度部件)完成指令調度。吟柴巧潘譬泅酉睹訝陳車哆役淡窟付捅打爺喪纏雍修棟冬主街蟄聞坐磺蟬計算機組成原理與系統結構第8章計算機系統結構計算機組成原理與系統結構第8章計算機系統結構8.1.2超流水線處理機一般把指令流水線的段數大于等于8的流水線處理機稱為超流水線處理機。超流水線處理機和前面介紹的超標量處理機的工作方式不同,超標量處理機是通過重復設置多個部件,并且讓這些部件能夠同時工作來提高指令的執行速度,實際上是以增加硬件資源為代價來換取處理機性能的;而超流水線處理機則只是通過增加少量硬件,通過各部分硬件的充分重疊工作來提高處理機的性能,超流水線處理機每一節拍仍只流出一個結果,但流水線的節拍只是主機時鐘周期的幾分之一,所以在一個時鐘周期內,流水線仍可流出幾個結果,如圖8.4所示。恿躲窘免悉話襟掖慢墜嘶園雇懲掇屋育克盟橡苫禱魂剪烹

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總結

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