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第5章重合、流水和向量处理机;流水线技术;第1批洗涤;5.1重合解释方式;图5.2指令次序解释与重合解释;图5.3一次重合工作方式;1、次序执行方式

一条指令执行过程：取指令-分析-执行

执行n条指令所用时间为：

如每段时间都为t，则执行n条指令所用时间为：T=3nt

主要优点：控制简单，节约设备。

主要缺点：执行指令速度慢，功效部件利用率很低。;2、一次重合执行方式(一个最简单流水线方式)

假如两个过程时间相等，则执行n条指令时间为：T=(1+2n)t

主要优点：

指令执行时间缩短

功效部件利用率显著提升

主要缺点：

需要增加一些硬件

控制过程稍复杂;3、二次重合执行方式

把取第k+1条指令提前到分析第k条指令同时执行

假如三个过程时间相等，执行n条指令时间为：T=(2+n)t

理想情况下同时有三条指令在执行

处理机结构要作比较大改变，必须采取先行控制方式;流水线表示方法;

2、一个指令流水线

普通4至12个流水段，等于及大于8个流水段称为超流水线处理机

3、流水线时空图

采取“时空图”表示流水线工作过程。

一条简单流水线时空图：

;一个浮点加法器流水线时空图(由求阶差、对阶、尾数加和规格化4个流水段组成)：;流水线主要特点

在流水线每一个功效部件后面都要有一个缓冲器，称为锁存器、闸门存放器等，它作用是保留本流水段执行结果。

各流水段时间应尽可能相等，不然会引发阻塞、断流等。

从而产生流水线瓶颈。

只有连续提供同类任务才能充分发挥流水线效率。

在流水线每一个流水线段中都要设置一个流水锁存器。

流水线需要有“装入时间”和“排空时间”。只有流水线完全充满时，整个流水线效率才能得到充分发挥。;图5.4当第k条指令是条件转移时;假如采取VonNeumann型机器上指令可修改方法经第k条指令执行来形成第k+1条指令，如

k：存通用存放器，k+1；(通用存放器)→k+1

k+1:……

因为在“执行k”末尾才形成第k+1条指令，按照一次重合时间关系，“分析k+1”所分析是早已取进指缓第k+1条指令旧内容，这就会犯错。为了防止犯错，第k、k+1条指令就不能同时??释，我们称此时这两条指令之间发生了“指令相关”。尤其是当指令缓冲器可缓冲存放n条指令情况下，执行到第k条指令时，与已预取进指缓第k+1到第k+n条指令都有可能发生指令相关。指缓容量越大，或者说指令预处理能力愈强机器发生指令相关概率就愈高。;5.1.2相关处理;图5.6IBM370“执行”指令执行;2.主存空间数相关处理;3.通用存放器组相关处理

设机器基本指令格式为;图5.8指令解释过程中与通用存放器内容相关微操作时间关系;图5.9“执行k”、“分析k+1”重合时，访问通用存放器组时间关系;处理数据数据相关技术;处理数据数据相关技术;图5.10用相关专用通路处理通

用存放器组数相关;设操作数有效地址;图5.11B一次相关与二次相关;图5.12B一次、二次相关推后处理;图5.13B相关专用通路法;5.2流水方式;图5.15流水处理;2.流水线分类;图5.17ASC机运算器流水线;图5.18静、动态多功效流水线时-空图举例;图5.19非线性流水线举例;

衡量流水线性能主要指标有：吞吐率、加速比和效率

1、吞吐率（ThoughPut）

求流水线吞吐率最基本公式：

TP=n/Tk

n为任务数,Tk为完成n个任务所用时间

各段执行时间相等，输入连续任务情况下完成n个连续任务需要总时间为：

Tk=(k+n-1)Dt

k为流水线段数，Dt为时钟周期;1; 吞吐率：

最大吞吐率为：

各段执行时间不相等、输入连续任务情况下：

吞吐率为：

最大吞吐率为：;设一m段流水线各段经过时间均为Δt0，则第1条指令从流入到流出需要T0=mΔt0流水建立时间，之后每隔Δt0就能够流出一条指令。这么，完成n个任务解释共需时间T=m·Δt0+(n-1)Δt0。在这段时间里，流水线实际吞吐率;流水线各段执行时间不相等处理方法;一是将“瓶颈”流水段细分(假如可分话)：

二是将“瓶颈”流水段重复设置：;流水段重复设置流水线;2、加速比（Speedup）

计算流水线加速比基本公式：

S=次序执行时间T0/流水线执行时间Tk

各段执行时间相等，输入连续任务情况下

加速比为：

最大加速比为：

各段执行时间不等，输入连续任务情况下实际加速比为：;;