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1、1 24 3.1 流水線的基本概念 3.1.1 基本概念 1. 產品生產流水線 下面通過一個例子來說明流水線的好處 : 兩種方案 兩種方案的工作過程對比 第三章 流水線技術 2 24 3 24 流水線生產過程的抽象描述 這種流水工作方式的主要特點 4 24 2. 指令流水線 把指令的解釋過程分解為 “ 分析 ” 和 “ 執(zhí)行 ” 兩個子過程，并讓這兩個子過程分別用獨立的分 析部件和執(zhí)行部件來實現(xiàn)。 理想情況： 速度提高一倍 3.1 流水線的基本概念 5 24 6 24 3. 浮點加法流水線 把浮點加法的全過程分解為 “ 求階差 ” 、 “ 對 階 ” 、 “ 尾數(shù)相加 ” 、 “ 規(guī)格化 ”
2、四個子過程， 并讓 它們分別用各自獨立的部件來實現(xiàn)。 理想情況： 速度提高 3倍 3.1 流水線的基本概念 7 24 3.1 流水線的基本概念 8 24 4. 時空圖 時空圖 從時間和空間兩個方面描述了流水 線的工作過程。時空圖中，橫坐標代表時間， 縱坐標代表流水線的各個段。 3.1 流水線的基本概念 9 24 10 24 5. 流水技術 流水技術 是指：將一個重復的時序過程分解 成為若干個子過程，而每個子過程都可有效地在 其專用功能段上與其他子過程同時執(zhí)行。 6流水技術的特點 (1) 流水過程由多個相聯(lián)系的子過程組成，每個 子過程稱為流水線的 “ 級 ” 或 “ 段 ” 。 “ 段 ” 的數(shù)
3、 目稱為流水線的 “ 深度 ” 。 (2) 每個子過程由專用的功能段實現(xiàn)； 3.1 流水線的基本概念 11 24 (4) 流水線需要有 “ 通過時間 ” （第一個任務流出結果 所 需的時間），在此之后流水過程才進入穩(wěn)定工作狀 態(tài)，每一個時鐘周期（拍）流出一個結果； (3) 各個功能段所需時間應盡量相等，否則，時間長 的功能段將成為流水線的瓶頸，會造成流水線的 “ 堵塞 ” 和 “ 斷流 ” 。這個時間一般為一個時鐘 周期 （拍）； (5) 流水技術適合于大量重復的時序過程，只有輸入 端能連續(xù)地提供任務，流水線的效率才能充分發(fā) 揮。 3.1 流水線的基本概念 13 24 3.1.2 流水線的分類
4、 流水線可以按不同的觀點進行分類。 單功能流水線： 只能完成一種固定功能的 流水線。 多功能流水線： 流水線的各段可以進行不同的 連接，從而實現(xiàn)不同的功能。 例如： TI ASC的多功能流水線 1按功能的多少來分 3.1 流水線的基本概念 15 24 在靜態(tài)流水線中，只有當輸入是一串相同 的運算操作時，流水的效率才能得到發(fā)揮。 動畫演示 2按同一時間內各段之間的連接方式來分 靜態(tài)流水線： 在同一時刻，流水線的各段只能 按同一種功能的連接方式工作。 3.1 流水線的基本概念 16 24 動態(tài)流水線： 在同一時刻，流水線的各段可以 按不同功能的連接方式工作。 動畫演示 這樣就不是非得相同運算的一串
5、操作才能 流水處理。 優(yōu)點： 能提高流水線的效率 缺點： 會使流水線的控制變得復雜 3.1 流水線的基本概念 靜、動態(tài)流水線時空圖的對比 18 24 3按照流水線的級別來分 部件級流水線 （運算操作流水線）：把處理機的 算術邏輯部件分段，使得各種數(shù)據類型的操作能 夠進行流水。 處理機級流水線 （指令流水線）：把指令的解釋 執(zhí)行過程按照流水方式進行處理。 例如： 前面把指令解釋過程分解為： 分析 和 執(zhí)行 DLX的基本流水線把指令解釋過程分解為： 取指令、指令譯碼、執(zhí)行、訪存、寫回。 (圖示 ) 3.1 流水線的基本概念 19 24 3.1 流水線的基本概念 20 24 處理機間流水線 （宏流水
6、線）：它是指由兩個 以上的處理機串行地對同一數(shù)據流進行處理， 每個處理機完成一項任務。 動畫解析 3.1 流水線的基本概念 21 24 4按照數(shù)據表示來分 向量處理機： 具有向量指令和向量數(shù)據表示的 處理機。 例如： TI ASC, CRAY-I 等 標量處理機： 不具有向量指令和向量數(shù)據表示， 僅對標量進行流水處理的處理機。 例如： IBM360/91, Amdahl 470V/6 等 5. 按照是否有反饋回路來分 線性流水線： 流水線中的各段串行連接，沒 有反饋回路。 非線性流水線： 流水線中的各段除有串行連接 外，還有反饋回路。 (舉例 ) 3.1 流水線的基本概念 22 24 3.1 流水線的基本概念 流水線的調度問題 24 24 順序流動流水線： 流水線輸出端任務流出的順 序與輸入端任務流入的順序 相同 。 異步流動流水線 （亂序流水線）：流水線輸出 端任務流出的順序與輸入端任務流入的順序 不同 。 6. 按照流動是否可以亂序來分 3.1 流水線的基本概念
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