高级流水线-超长指令字

高级流水线技术 超长指令字 网工 1101班 朱旭宏 2011011317 张 旭 2011011316 张佳煜 2011011331 ? ? ? 成员介绍 其实 张佳煜 张旭 朱旭宏 成员介绍 二、流水线核心思想 三、工作机制 四、其优缺点 一、流水线介绍 主要内容 流水线介绍 （ 1）定义 流水线（ pipeline）技术是指在程序执行时多条指 令重叠进行操作的一种准并行处理实现技术。流水线是 Intel首次在 486芯片中开始使用的。流水线的工作方式 就象工业生产上的装配流水线。在 CPU中由 5 6个不 同功能的电路单元组成一条指令处理流水线，然后将一 条 X86指令分成 5 6步后再由这些电路单元分别执行， 这样就能实现在一个 CPU时钟周期完成一条指令，因此 提高 CPU的运算速度。经典奔腾每条整数流水线都分为 四级流水，即指令预取、译码、执行、写回结果，浮点 流水又分为八级流水。 流水线介绍 （ 2） 产生背景 借鉴了工业流水线制造的思想，现代 CPU也采用 了流水线设计。在工业制造中采用流水线可以提高单位 时间的生产量；同样在 CPU中采用流水线设计也有助于 提高 CPU的频率。例如装配一辆汽车需要 4个步骤：冲 压、焊接、涂装、总装；同时对应地需要冲压、焊接、 涂装和总装四个工人。采用流水线的制造方式，同一时 刻四辆汽车在装配。如果不采用流水线，那么第一辆汽 车依次经过上述四个步骤装配完成之后，下一辆汽车才 开始进行装配，最早期的工业制造就是采用的这种原始 的方式。未采用流水线的原始制造方式，同一时刻只有 一辆汽车在装配。 流水线介绍 不久之后就发现，某个时段中一辆汽车在进行装配 时，其它三个工人处于闲置状态，显然这是对资源的极 大浪费！于是开始思考能有效利用资源的方法：在第一 辆汽车经过冲压进入焊接工序的时候，立刻开始进行第 二辆汽车的冲压，而不是等到第一辆汽车经过全部四个 工序后才开始。之后的每一辆汽车都是在前一辆冲压完 毕后立刻进入冲压工序，这样在后续生产中就能够保证 四个工人一直处于运行状态，不会造成人员的闲置。这 样的生产方式就好似流水川流不息，因此被称为流水线。 流水线介绍 （ 3） 计算机应用 CPU的工作也可以大致分为指令的获取、解码、 运算和结果的写入四个步骤，采用流水线设计之后，指 令（好比待装配的汽车）就可以连续不断地进行处理。 在同一个较长的时间段内，显然拥有流水线设计的 CPU 能够处理更多的指令。 流水线核心思想 超常指令字 （ 1）定义 超常指令字（ VLIW： VeryLongInstructionWord） 是由美国 Yale大学教授 Fisher提出的。它有点类似于超 级标量，是一条指令来实现多个操作的并行执行，之所 以放到一条指令是为了减少内存访问。通常一条指令多 达上百位，有若干操作数，每条指令可以做不同的几种 运算。那些指令可以并行执行是由编译器来选择的。通 常 VLIW机只有一个控制器，每个周期启动一条长指令， 长指令被分为几个字段，每个字段控制相应的部件。由 于编译器需要考虑数据相关性，避免冲突，并且尽可能 利用并行，完成指令调度，所以硬件结构较简单。 超常指令字 （ 2）工作机制 在一个基本时钟周期内能够分时发射多条指令的处 理机，一般流水线的级数多达 8条及以上。超流水线处 理机采用多相的高频时钟。一台度为 m的超流水线处理 机的时钟 t只是基本时钟周期 t的 1/m。如果一条指 令的解释需要 K个 t，则共需 Kmt的时钟解释。让指 令之间错开一个 t的时间，重叠流水地工作，执行完 N条指令的时间为： K+(N-1)/m t 当 N趋于无穷大时，并行度可达到最大值 m。 超长指令字 （ 3）优缺点 优点 把能并行执行的多条指令组装成一条很长的指令 设置多个功能部件 指令字被分割成一些字段，每个字段称为一个操 作槽，直接独立地控制一个功能部件。 超长指令字结构的处理器采用软件静态编译的方 法替代动态调度，由编译器完成在更大范围内的指 令调度，有效地降低了流水线的复杂度，使单芯片 上可以容纳更多的重复资源以同时处理多条指令。 超长指令字 （ 3）优缺点 缺点 程序代码长度增加了提高并行性而进行的大量的 循环展开。指令字中的操作槽并非总能填满。 采用了锁步机制任何一个操作部件出现停顿时， 整个处理机都要停顿。 机器代码的不兼容性 超长指令字 （ 4）应用 超长指令字 DSP面向 MP3、 PMP中的 SoC应用 台湾地区的研究人员已自主开发出了一种超长指令 字 (VLIW)DSP，适用于 MP3、 PMP及其它低功耗便携 产品中的 SoC。同时，他们也在致力于开发下一代多内 核、多线程架构，以处理高清编码或视频搜索之类的任 务。 谢谢！