计算机系统结构 (第17讲) 主讲人： 郑纬民教授 清华大学计算机系
计算机系统结构 （第17讲） 主讲人： 郑纬民 教授 清华大学计算机系
2、按照流水线的级别来分 处理机级流水线，又称为指令流水线 (Instruction Pipelining) 例如：在采用先行控制器的处理机中， 各功能部件之间的流水线 输 先行指令 缓 先捐令 分析器 襬 取指 译码 取操作数 指执 后行、输出 行部件 写数栈 执行 写结果 李森线
2、按照流水线的级别来分 处理机级流水线, 又称为指令流水线 (Instruction Pipelining) 例如：在采用先行控制器的处理机中， 各功能部件之间的流水线 先行指令 缓冲栈 输入 先行控制方式 中的指令流水线 先行指令 分析器 先行读数栈 先行操作栈 取指 译码 取操作数 指令执 行部件 后行 写数栈 输出 执行 写结果
部件级流水线 (操作流水线)，如浮点加 法器流水线 输入 求阶差对阶一尾数加 规格化输出 △t △t △t △t 处理机之间的流水线称另宏流水线 (Macro Pipelining) 每个处理机对同一个数据流的不同部分 分别进行处理 输 P1 -M- P2 输 -M- P3 →M 任务1 任务2 任务3
部件级流水线（操作流水线），如浮点加 法器流水线 处理机之间的流水线称为宏流水线 (Macro Pipelining) 每个处理机对同一个数据流的不同部分 分别进行处理 求阶差 输入 输出 t1 对阶 尾数加 规格化 t2 t3 t4 P1 输 入 任务1 M P2 M … 任务2 P3 M 任务3 输 出
3、单功能流水线与多功能流水线 单功能流水线： 只能完成一种固定功能的流水线 Cray-1计算机中有12条；YH-1计算机有18 条；Pentium有一条5段的定点和一条8段 的浮点流水线；PentiumIII有三条指令流 水线，其中两条定点指令流水线，一条浮 点指令流水线
3、单功能流水线与多功能流水线 单功能流水线： 只能完成一种固定功能的流水线 Cray-1计算机中有12条；YH-1计算机有18 条；Pentium有一条5段的定点和一条8段 的浮点流水线；PentiumⅢ有三条指令流 水线，其中两条定点指令流水线，一条浮 点指令流水线
多功能流水线： 流水线的各段通过不同连接实现不同功能 Texas公司的ASC计算机中的8段流水线， 能够实现：定点加减法、定点乘法、浮点 加法、浮点乘法、逻辑运算、移位操作、 数据转换、向量运算等
多功能流水线： 流水线的各段通过不同连接实现不同功能 Texas公司的ASC计算机中的8段流水线， 能够实现：定点加减法、定点乘法、浮点 加法、浮点乘法、逻辑运算、移位操作、 数据转换、向量运算等
B 业A业 输入 输入 求阶差 输入 对阶 尾数加 尾数加 规格化 规格化 尾数乘 尾数乘 累加 累加 输出 输出 g= 定当乘 浮点加 浮义点积 (a)功能段间的互连 (b)定点乘法 (c)浮点加法 (d)浮点点积
A B A B A B A B 输入 输入 输入 输入 求阶差 求阶差 求阶差 求阶差 对阶 对阶 对阶 对阶 尾数加 尾数加 尾数加 尾数加 规格化 规格化 规格化 规格化 尾数乘 尾数乘 尾数乘 尾数乘 累加 累加 累加 累加 输出 输出 输出 输出 g= f(A,B) 定点乘 浮点加 浮点点积 (a)功能段间的互连 (b)定点乘法 (c)浮点加法 (d)浮点点积
4、静态流水线与动态流水线 静态流水线： 同一段时间内，多功能流水线中的各个 功能段只能按照一种固定的方式连接， 实现一种固定的功能。 只有连续出现同一种运算时，流水线的 效率才能得到充分的发挥。 动态流水线： 在同一段时间内，多功能流水线中的各 段可以按照不同的方式连接，同时执行 多种功能
4、静态流水线与动态流水线 静态流水线： 同一段时间内，多功能流水线中的各个 功能段只能按照一种固定的方式连接， 实现一种固定的功能。 只有连续出现同一种运算时，流水线的 效率才能得到充分的发挥。 动态流水线： 在同一段时间内，多功能流水线中的各 段可以按照不同的方式连接，同时执行 多种功能
空间 浮点加法 定点乘法 输出 1 23n 1. 累加 12 尾数乘 123 规格化 2 ..n 尾数加 2 对阶 2 3 求阶差 1 23 输入1 2 3 1234 0 时间 静态流水线时空图
1 时间 空间 0 2 3 … n 1 2 3 … n 1 2 3 … n 1 2 3 … n 1 2 3 … n 1 2 3 … n 1 2 3 4 … 1 2 3 … 1 2 … 1 … 输入 求阶差 对阶 尾数加 规格化 尾数乘 累加 输出 静态流水线时空图 浮点加法 定点乘法
空间 浮点加法 定点乘法 输出 123 ..n 1 2 累加 尾数乘 234 5 规格化 2 3 尾数加 对阶 n 求阶差 输入 1 23456 0 时间 动态流水线时空图
1 时间 空间 0 2 3 … n 1 2 3 … n 1 2 3 … n 1 2 3 … n 1 2 3 … n 1 2 3 … n 输入 求阶差 对阶 尾数加 规格化 尾数乘 累加 输出 动态流水线时空图 … … … … … … 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 1 2 3 4 1 2 3 … … … … 浮点加法 定点乘法
5、流水线的其他分类方法 按照数据表示方式： 标量流水线和向量流水线 按照控制方式：同步流水线和异步流水线 顺序流水线与乱序流水线： 乱序流水线又称为无序流水线、错序流 水线或异步流水线等 输入 输出 就绪 就绪 就绪 回答 S2 回答 S3 就绪 回答 回答
5、流水线的其他分类方法 按照数据表示方式： 标量流水线和向量流水线 按照控制方式：同步流水线和异步流水线 顺序流水线与乱序流水线： 乱序流水线又称为无序流水线、错序流 水线或异步流水线等 S1 就绪 回答 S2 就绪 回答 S3 就绪 回答 输出 就绪 回答 输入