計算機體系結構期末復習

文章目錄

• • 計算機體系結構期末復習
  • • 5 流水線技術
    • • 5.1 知識點
      • 5.2 大題
  • （完）

5 流水線技術

5.1 知識點

計算機體系結構在向著多核并行的趨勢發展，包括數據級并行(DLP)，指令級并行(ILP)，線程級并行(TLP)，請求級并行(RLP)。本章主要講解ILP。ILP實現有三種方式，第一種是superpipelining，流水線或超流水線處理機；第二種是super-scalar，多操作部件或超標量處理機；第三種是VLIW，Very Long Instruction Word，超長指令字處理機，還在進一步研究。因此本章涉及到的知識點有先行控制技術、流水線原理與性能分析、非線性流水線的調度方法、局部相關與全局相關、最后是超標量處理機和超流水線處理機。考試重點如下：

要實現流水線，處理機的結構必須采用先行控制方式。先行控制技術的關鍵是緩沖技術和預處理技術。緩沖技術指的是在工作速度不固定的兩個功能之間設置緩沖棧(比如對于功能部件IF-ID-EX-MEM-WB要設置4個緩沖棧緩沖)，預處理技術指的是進入ALU的指令都采用RR型指令(這要求采用哈佛結構，以及增添lw與sw指令將存儲器操作數轉化為寄存器數)。因此我們增添了3+4，3個獨立的控制器：指令控制器，運算控制器，存儲控制器，4個緩沖棧：先行指令緩沖棧，先行讀數棧，先行操作棧，后行寫數棧。因此采用先行控制方式，理想的執行n條指令時間為：$T_{先行}\approx {\sum }_{i=1}^n{t}_{執行i}$。

• (記憶位置，了解功能)先行指令緩沖棧用于IF，先行讀數棧用和先行操作棧用于ID-EX，主要功能為預處理(將RI或RX轉化為RR指令)，后行寫數棧。

流水線技術。包括superpipelining和super-scalar,分別運用了時間并行性(分時使用同一個部件不同部分)和空間并行性(設置多個獨立操作部件)。流水線分為線性流水線和非線性流水線，非線性流水線有前饋回路和反饋回路，由流水線連接圖和流水線預約表二者唯一確定一條流水線。對于線性流水線，用時空圖表示，時間-空間，橫軸時間為指令條數或深度，縱軸空間為功能段個數。一條指令的流水步隨著歷經的時間和功能段逐步向右上移動，注意數據相關。流水線也分為靜態流水線和動態流水線。靜態流水線指流水線各個功能段在同一時間只能實現一種功能，指令全部排空后，才可實現下一步功能。流水線的性能分析，吞吐率：$TP=n/T_k$，加速比：$S=T_0/T_k$，效率：$E=T_0/(k?T_k)$。其中，$T{P}_{max}=1/\Delta t(\Delta t為流水線橫軸的單位時間)$，$S_{max}=k$，$E_{max}=1$。

非線性流水線的預約表。因為一個指令可能在多個功能段重復多次，因此要尋找延遲輸入新任務使之不沖突的最小啟動循環。我們通過一組二進制數(如001100)記錄當前流水線的沖突狀態，稱為沖突向量(1為沖突位)，代表著若流水線右移的步數為沖突向量二進制位為1所在的下標(如001100的3和4)，則發生沖突。這個沖突向量可以進行右移或運算，對當前狀態的沖突向量A右移m步(m只可為二進制位0的索引下標)并進行或操作，或的另一個對象自然是當前沖突向量A本身，可以產生該流水段的新沖突向量。若有兩次右移(m,n)使沖突向量A可以回到原點。稱(m,n)為不沖突的啟動循環。通常已知預約表，求狀態圖。因此完成狀態圖的目標就是要得到全部的沖突向量以及全部的(m,n)。這里遍歷即可：對初始沖突向量S，進行右移或操作，產生沖突向量；對每個新的沖突向量S進行右移或操作，直至遍歷完成。

非線性流水線的優化調度方法。由定理，最小平均啟動距離的下限是預約表中一行X最多的個數N。此行/功能段被稱為瓶頸流水段。優化調度的目標是將N作為流水線的最小啟動距離，使得瓶頸流水功能段始終處于忙碌狀態，此時性能達到峰值。因此預約表中對于每隔N的流水步，若產生沖突，要相應向后移位。若后面的流水步需要前面流水步的結果，前面流水步移位，也要跟著移位。由此完成優化調度后的預約表。

相關性分析。包括數據相關(在執行本條指令用到的變量是前面指令的執行結果)和控制相關(由條件分支指令、無條件/一般條件/符合條件轉移指令、中斷等引起的相關)，二者前后也被稱為局部相關和全局相關。解決數據相關的方法：推后處理和設置專用路徑。解決控制相關的方法：1.延遲轉移技術和指令取消技術(由編譯器調度無關指令)，2.靜態/動態分支預測技術(軟件：通過編譯器降低轉移Y的概率，硬件：增加指令分析器提前取PC1，再增加一個先行目標緩沖棧；動態：在指令cache中設置轉移的歷史信息(設置轉移歷史表字段)/設置轉移目標地址緩沖棧)，3.提前形成條件碼。條件分支對流水線性能的影響：$T_{K?IF}=(n+k?1)\Delta t+npq(k?1)\Delta t$，$npq$為n條指令中轉移成功的指令條數。則流水線吞吐率下降的百分比為$D=(T{P}_{MAX}?T{P}_{MAX?IF})/(T{P}_{MAX})=pq(k?1)/(1+pq(k?1))$。

動態調度技術。流水線有順序和亂序三種調度方式：順序發射順序完成，順序發射亂序完成，亂序發射亂序完成。值得警醒的是，在亂序流動中，可能發生3種數據相關。WR相關(寫讀相關)，RW相關，WW相關。變量換名可以消除RW相關和WW相關，其規則是一個變量只允許定值一次。然而對于WR相關，無法換名，只能推后處理或設置專用路徑。

超標量處理機($1<ILP<m$)。首先引入單發射與多發射處理機這一概念，單發射處理機每個周期內只進行一次IF/ID/EX/WB。多發射處理機每個周期內可同時進行多個IF/ID/EX/WB。因此，超標量處理機的概念是，有兩條或兩條以上能同時工作的指令流水線。實現，先行指令窗口，從指令cache中預測多條指令，并分析是否存在相關和部件資源沖突。對于資源沖突，假定每周期發射m條指令，部件延遲時間k個周期，如果操作部件不采用流水線結構，使用同一部件的兩條指令應至少相差m*k，若采用k段流水線結構，只需差m以上即可。總結一下，超標量處理機，不同于普通標量處理機，希望相同操作不要連續出現。性能：$T(m,1)=(k+\frac{N?m}{m})\Delta t$，最大加速比為m。

超流水線處理機($1<ILP<n$)。超流水線處理機，在一個周期內分時發射多條指令的處理機。性能：$T(1,n)=(k+\frac{N?1}{n})\Delta t$，最大加速比為n。

超標量超流水線處理機($1<ILP<mn$)。一個時鐘周期發射m次，每次發射n條指令。性能：$T(m,n)=(k+\frac{N?m}{mn})\Delta t$，最大加速比為m*n。經比較，我們得到結論。超標量處理機的相對性能最高，其次是超標量超流水線處理機，超流水線處理機的相對性能最低。條件轉移等操作造成的損失，超流水線處理機要比超標量處理機大，由于超流水線處理機采用深度流水線結構，對條件轉移等操作比超標量處理機敏感。超流水線處理機的啟動延遲通常要比超標量處理機大。超標量處理機在每個時鐘周期的一開始就同時發射多條指令。

5.2 大題

已知一條線性靜態流水線k個功能段，以及各個操作所使用的功能段。求流水線的時空圖，實際吞吐率，加速比，效率等

考點：時空圖，靜態，數據相關

題目：

解答：

已知一條k個功能段的非線性流水線預約表。求調度流水線狀態圖，最小啟動循環與最小平均啟動距離。插入一個非計算延遲功能段后，求該流水線的最佳啟動循環及最小平均啟動距離，預約表，狀態圖。最大吞吐率與實際吞吐率。

考點：預約表，狀態圖，優化調度方法

題：

解答：

（完）

總結

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