计算机组成原理

指令流水线

1. 指令流水线的基本概念

   时间上的并行技术：流水线技术

   空间上的并行技术：超标量处理机

   假设一条指令的执行过程分为如下5个阶段（功能段或流水段）

   • 取指（IF）：从指令存储器或Cache中取指令
   • 译码/读寄存器（ID）：操作控制器对指令进行译码，同时从寄存器堆中取操作数
   • 执行/计算地址（EX）：执行运算操作或计算地址
   • 访存（MEM）：对存储器进行读/写操作
   • 写回（WB）：将指令执行结果写回寄存器堆

   为了利于实现指令流水线，指令集应具有如下特征：

   • 指令长度应尽量一致，有利于简化取指令和指令译码操作。
   • 指令格式应尽量规整，尽量保证源寄存器的位置相同。
   • 采用LOAD/STORE型指令，其他指令不能访问存储器，这样可把LOAD/SZTORE指令的地址计算和运算指令的执行步骤规整在一个周期中。
   • 数据和指令在存储器中”按边界对齐“存放。

2. 流水线的基本实现

   1. 流水线设计的原则
      1. 指令流水段个数以最复杂指令所用的功能段个数为准
      2. 流水段的长度以最复杂的操作所花的时间为准
   2. 流水线的逻辑结构
   3. 流水线的时空图表示

3. 流水线的冒险与处理

   1. 结构冒险
   2. 数据冒险
      1. RAW
         • 延迟执行相关指令
         • 采用转发（旁路）技术
         • load-use数据冒险处理
      2. WAR
      3. WAW
   3. 控制冒险

4. 流水线的性能指标

   1. 流水线的吞吐率（n是任务数，$T_k$是处理完n个任务所用的总时间，k为流水线的段数）

      $$ TP = \frac{n}{T_k} $$

      $\Delta t$为时钟周期。在输入流水线中的任务连续的理想情况下，一条$k$段流水线能在$k+n-1$

      $$ TP = \lim\limits_{n\to \infty} \frac{n}{(k+n-1)\Delta t} = \frac{1}{\Delta t} $$

   2. 流水线的加速比

      $$ S = \frac{T_0}{T_k} $$

      一条k段流水线完成n个任务所需的时间为$T_k=(k+n-1)\Delta t$。顺序执行n个任务时,所需的总时间为 $T_0=kn\Delta t$

      $$ S = \frac{kn\Delta t}{(k+n-1)\Delta t} $$$$ S_{\lim\limits_{n\to \infty}} = k $$

5. 高级流水线技术

   1. 超标量流水线技术（多发射技术）
   2. 超长指令字技术
   3. 超流水线技术

多处理器的基本概念

1. SISD，SIMD，MIMD的基本概念
   1. 单指令流单数据流（SISD）结构
   2. 单指令流多数据流（SIMD）结构
   3. 多指令流单数据流（MISD）结构（不存在）
   4. 多指令流多数据流（MIMD）结构
2. 硬件多线程的基本概念
   1. 细粒度多线程
   2. 粗粒度多线程
   3. 同时多线程
3. 多核处理器的基本概念
4. 共享内存多处理器的基本概念
   • 统一存储访问（UMA）多处理器
   • 非统一存储访问（NUMA）多处理器