北京大学：《计算机组织与体系结构》课程教学资源（讲义，下）设计流水线处理器

计算机组织与糸统结构 设计流小线地理 Designing a pipeliaePpooeessor (第十五讲) 程旭 2000515 北京大学计算机科学技术系 计算机系统结构教研室

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串行洗衣店 6PM 7 1 2 AM 30-3030303030303030301303013043013030 团画而写命A 作时间 务 8 面硝A 串行洗衣店需要8个小时完成4个工作量 °如果他们了解流水技术,那么需要多长时间完成上述工作呢? 北京大学计算机科学技术系 计算机系统结构教研室

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流水技术性质 流水技术无助于减少单个任务 的处理延迟( latency,但有助 于提高整体工作负载的吞吐率 6PM 7 →◆多个不同任务同时操作,使用不 任务顺序 同资源 30303030303030 ◆潜在加速比=流水线级数 ◆流水线的速率受限于最慢的流 水段 ◆流水段的执行时间如果不均衡, 那么加速比就会降低 ◆开始填充流水线的时间和最后 排放流水线的时间降低加速比 相关将导致流水线暂停 北京大学计算机科学技术系 计算机系统结构教研室

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理想流水线 假设所有指令都完全独立! F DCD EX MEM WB F DCD EX MEM WB F DCD EX MEM WB F DCD EX MEM WB F DCD EX MEM WB 最大加速比≤流水线段数 加速比≤非流水化操作的时间 最长段的时间 例如:40ns数据通路,5段,最长段为10ns,加速比≤4 北京大学计算机科学技术系 计算机系统结构教研室

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流水技术会产生哪些问题? 流水线冒险〔 Pipeline hazards) 结构冒险( structural hazards):试图同时以两种不同的方式 使用同一资源 例如,多次存储器访问、多次寄存器写 解决方案:多个存储器、暂停 ·数据冒险( data hazards):在产生数据之前,就试图使用它们 Bi]A, add r1, r2, r3; sub r4, r1, 5; lw r6, 0(r7);orr8, r6, r9 解决方案:前递/旁路、暂停/气泡 控制冒险( control hazards):在判定转移条件之前,就试图决 策转移方向 例如,条件转移 解决方案:预测、延迟转移 北京大学计算机科学技术系 计算机系统结构教研室

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具有数据-固定控制的流水化数据通路 IAU npc 就象时间状态! Imem Regs $22055Pc 操作数寄存器选择 Mw ALU ALU Op∈PC+4+ immed D mem MEM Op Regs 结果寄存器选择和使能 北京大学计算机科学技术系 计算机系统结构教研室

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总结 °流水处理是非常基本的概念 使用不同资源的多个处理步骤 °通过流水化指令处理利用数据通路的处理能力 ·在处理当前指令的同时,开始处理下一指令 受最长段的时间限制 需要检测和处理冒险 °哪些策略使得流水容易实现? 所有的指令长度相同 只有少量的指令格式 Ld/St结构 °相关冒险问题是难点 北京大学计算机科学技术系 计算机系统结构教研室

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答疑 时间:星期三下午除外 地点:老化学楼310 电话:62756231 北京大学计算机科学技术系 计算机系统结构教研室

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教学目标:己经掌握的內容 °计算机的五个基本部件 处理器 输入 控制 存储器 数据通路 输出 °本讲主题:为流水化数据通路设计控制 北京大学计算机科学技术系 计算机系统结构教研室

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控制图 R∈Mem[Pc],Pc∈Pc+4 A∈Rrs];B∈R[] s∈A+Bs∈Aorz s∈A+SX s∈A+SX If cond Pc∈PC+SX; M∈S M∈S M∈MemS1MemS]B Rrd]∈S;Rr∈S Rrd]∈M O.+×oz ao2 ↓ D EoE 北京大学计算机科学技术系 讦算机系统结构教研室

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