计算机组成_北京大学06周流水线处理器

2018.01 ComputerArchitecture

流水线处理器

601. 流水线的基本原理

• 厨房的例子

  

• 执行指令的主要步骤

  

• 添加流水线寄存器

  

• 流水线处理器性能分析

  

• 流水线寄存器自身的延迟

  

  提高了指令的吞吐率

602. 流水线的优化

• 流水线的平衡性

  按照流水级中时间最长的阶段来平衡

  不平衡的流水线

  

• 流水线的调整

  把原有的硬件资源分成多个部分

  

  继续进行切分会怎样呢？

• "超级流水线"

  

• 流水线的深度

  

  级数并不是越多越好。

• 处理器流水线深度的变化

  将CISC指令划分为多个RISC指令，实现多级流水线

  

  CPU频率大战：消费者以频率为购买导向标。导致流水线深度加深，后来回落。

603. 超标量流水线

• 两个方向：加深流水线，增加流水线的宽度

• 超标量结构

  

  对于处理器，也常称为“双发射”、“三发射”、“四发射”...

• 第一台超级计算机

  

• Cortex-A9的超标量流水线

• Core i7的超标量流水线

  x86虽然是CISC系统，但是使用RISC指令系统实现的。

• 超标量流水线

  空间并行性的优化。

  

• 超标量流水线 与 多核CPU

  

604. 流水线的冒险

• “冒险”（Hazard）

  

• 结构冒险

  • 示例1

    

    • 解决方案1

      

      几乎万能的方法，stall并插入bubble。
      这种解决方案效率比较低，应当尽量避免流水线的停顿。

    • 解决方案2

      

      现在的计算机中指令和数据还是放在同一个主存中，但是有不同的指令Cache和数据Cache，避免了同时向同一个存储器读取指令和数据的情况。

  • 示例2

    

    • 解决方案

      

• 数据冒险

  • 示例1

    

    • 解决方案1

      

• 控制冒险

  • 示例1

    

    • 解决方案1

      

605. 数据冒险的处理

程序中，经常会对同一个变量进行反复的写入和读取。

• 数据冒险示例

  与上图相同

  • 软件解决方案

    

    该插入多少个nop指令？在不同的系统上运行？

    期望对软件屏蔽硬件的实现细节。

  • 出现数据冒险的情况，使控制信号变为什么也不做的状态

    stall 并插入 bubble。

    通过执行的指令，检查在后续中是否有使用到同样编号的存储器（单条指令周期），有的话可能会出现数据冒险。

    这种情况很常见，使用这种方法极大影响性能。

  • 数据前递

    

    上一条指令将自己的运算结果传递到下一条指令去（Forwarding）。

    

    Forwarding最后那里应该有多选器。产生了数据冒险时才使用。

    Forwarding是从指令执行的顺序上来描述的，Bypass则是从电路的结构上来描述的（绕过了寄存器堆）。

  • case 2

    

    • 解决方案

      

  • case 3

    

    • 解决方案

      

引入超标量的架构又会带来新的数据冒险。

606. 控制冒险的处理

• 转移指令对流水线的影响

  

  循环的过程中，不应被执行的指令被多次读取。

  转移指令和流水线是冲突的。

  转移指令是比较常用的指令。

• 转移指令对性能的影响

  

• 转移开销

  

• 转移指令的分类

  

• 无条件转移

  • 无条件直接转移

    

    

    流水线不停顿

  • 无条件间接转移

    

    

    流水线停顿一个周期

• 条件转移

  • 直接转移

    

    

    判断两个数相等是很简单的操作，其实没有必要用到ALU这么复杂的器件。

    

• 改进后控制冒险的影响

  

• 延迟转移技术

  

  将无关的指令移到转移之后，确保这些指令一定会执行，不至于浪费性能。