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
ñ¯M§¯æ*§cù ¯æù;étÐ@ ¯æ §ù;é øz#¯í Eftjhojoh!b!Qjqfmjof!Qspdft tps Ä ËZÅ È
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
ñ¯M§¯æ*§cù ¯æù;étÐ@ b|GÇ e ë7kÔUþãÊ`äþ¹0£ eVpªÀZ·TÈw ÔUîSÊÈ`äÞĹ06Û Ïuõc %&'$ ¹0ÊÈ 30 $0
流水技术性质 流水技术无助于减少单个任务 的处理延迟( latency,但有助 于提高整体工作负载的吞吐率 6PM 7 →◆多个不同任务同时操作,使用不 任务顺序 同资源 30303030303030 ◆潜在加速比=流水线级数 ◆流水线的速率受限于最慢的流 水段 ◆流水段的执行时间如果不均衡, 那么加速比就会降低 ◆开始填充流水线的时间和最后 排放流水线的时间降低加速比 相关将导致流水线暂停 北京大学计算机科学技术系 计算机系统结构教研室
ñ¯M§¯æ*§cù ¯æù;étÐ@ qd°_WX ♦ T´}b£å)þÏu X ØÚʳ ODWHQF\ ÈÝ} b¤¬H'¹0óQ Xòä[ ♦ îþáàÏuàÊ¡0Süá àd ♦ 0ütó¨ {D ♦ Xó[«$bÔ6X ♦ X; ÊÈVpá5 w tó¨î!" ♦ Ô?XÊÈ ` Ôâ fXÊÈ !"tó¨ ♦ ÌGÚÐÈV0 30 ÊÈ %&'$ ÏuNc
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
ñ¯M§¯æ*§cù ¯æù;étÐ@ 6#qdï ,) '&' (; 0(0 :% ,) '&' (; 0(0 :% ,) '&' (; 0(0 :% ,) '&' (; 0(0 :% ,) '&' (; 0(0 :% Ôûtó¨ ≤ D tó¨ ≤ 2ê¡0XÊÈ ÔSXÊÈ _V QVDBîÃÔSQVtó¨ ≤ ÝÛ¸Ñ`<À
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
ñ¯M§¯æ*§cù ¯æù;étÐ@ qd°_J×OË È" ef= 3LSHOLQH+D]DUGV §Xf= VWUXFWXUDOKD]DUGV ©Òàʹø¡áàXã SüàÔd _Vîõ,|<ÂÃîõ,<m · Öîþ,|<ÃV0 DBf= GDWDKD]DUGV ü{óDB !©ÒSüWÀ _VDGGUUU VXEUU U OZ U U RUUU U · Ö !æÃÃV0èµ { f= FRQWUROKD]DUGV üøn@Ï5Ê !È©Ò *@Ïå _V5Ê@Ï · ÖX Ãʳ@Ï
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 $22055Pc 操作数寄存器选择 Mw ALU ALU Op∈PC+4+ immed D mem MEM Op Regs 结果寄存器选择和使能 北京大学计算机科学技术系 计算机系统结构教研室
ñ¯M§¯æ*§cù ¯æù;étÐ@ §9 *Ê×f´qdF J QSF , PHP 5HJV %$/86 ' PHPP ,$8 OZ 3& 5HJV ¡0D,<ݽ $/82S 0(02S §p,<ݽ`SÑ 5 ÊÈÕ $ LP Q RS UZ ⇐ 3& LPPHG
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
ñ¯M§¯æ*§cù ¯æù;étÐ@ k eØÚ2 ÎXVÉ SüáàdXîþØÚ9x eîêÛ¸ØÚýüDBîÃXØÚÑo üØÚ'!Û¸XàÊÈÔØÚßÔÛ¸ «ÔSXÊÈ$ ÔU `ØÚf= e¾o*9Skçr" ÝXÛ¸SzÌà ¾Ýå£XÛ¸ã /G6W§X eÌGf=Âl
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
ñ¯M§¯æ*§cù ¯æù;étÐ@ Á ÊÈ óóÝß 8ê Õê:P ±
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
ñ¯M§¯æ*§cù ¯æù;étÐ@ 7 "ÿ¼´µé eukXhþÎ¼Ê el êDBîÃu{ { DBîà ,|< ØÚ< g9gÎ
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
ñ¯M§¯æ*§cù ¯æù;étÐ@ ×f. ,5⇐ 0HP>3&@È 3&⇐ 3& $⇐ 5>UV@ %⇐ 5>UW@ 6⇐ $% 5>UG@⇐ 6 6⇐ $6; 0⇐ 0HP>6@ 5>UG@⇐ 0 6⇐ $RU=; 5>UW@⇐ 6 6⇐ $6; 0HP>6@⇐ % ,I FRQG 3&⇐ 3&6; (TXDO $ % 3&6 1H[W3& ,QVWUXFWLRQ 0HPRU\ ,5 5HJ )LOH ([HF 0HP $FFHVV 'DWD 0HP 0 5HJ )LOH ' (TXDO 0⇐ 6 0⇐ 6