体系结构第3章第3讲课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,计算机体系结构,31,计算机体系结构,32,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,国家精品资源共享课程：计算机体系结构,第三章：流水线技术,国防科技大学计算机学院,主讲人： 教授,国家精品资源共享课程：计算机体系结构第三章：流水线技术国防科,第三章 流水线技术,第三章 流水线技术,3.1,流水线基本概念,3.2,MIPS,基本流水线,3.3,流水线中的相关,3.4,实例分析：,MIPS R4000,3.5,向量处理机,本章内容,本章内容,三项性能指标：吞吐率、加速比和效率,1.,吞吐率,是衡量流水线速度的重要指标,吞吐率,是指单位时间内流水线所完成的任务数或输出结果的数量。,最大吞吐率,TP,max,是指流水线在达到稳定状态后所得到的吞吐率。,设流水线由,m,段组成，完成,n,个任务的吞吐率称为,实际吞吐率,，记作,TP,。,3.2.3,流水线性能分析,三项性能指标：吞吐率、加速比和效率3.2.3 流水线性能分,（,1,）最大吞吐率,假设流水线各段的时间相等，均为,t,0,，则：,TP,max,= 1/t,0,假设流水线各段时间不等，第,i,段时间为,t,i,，则：,TP,max,= 1/maxt,i,最大吞吐率取决于流水线中最慢一段所需的时间，该段成为流水线的瓶颈,消除瓶颈的方法,细分瓶颈段,重复设置瓶颈段（,时空图,）,（1）最大吞吐率,（,2,）实际吞吐率,若各段时间相等（假设均为,t,0,），则完成时间,T,流水,= m,t,0,+(n-1),t,0,（,说明,）,时空图,TP, ,T,流水,n,m,t,0,(,n,),t,0,n,(1,),t,0, ,m,1,1,TP,max,n,1,n,m,1,实际吞吐率,（2）实际吞吐率TP T,若各段时间不等（假设第,i,段为,t,i,），则完成时间,时空图,T,=,t,i,+(n-1),t,j,这里，,t,j,=max,t,i,i=1,m,TP, ,t,i,(,n,1),t,j,m,i=1,n,实际吞吐率,若各段时间不等（假设第i段为ti），则完成时间i=1mTP,2.,加速比,加速比,是指流水线速度与等功能的非流水线速度之比。,根据定义可知，加速比,S,=,T,非,流水,/,T,流水,若流水线为,m,段，每段时间均为,t,0,，则,T,非流水,= nmt,0,，,T,流水,= mt,0,+ (n-1),t,0,S,mn,m,n,1,m,n,1,m,1,2. 加速比 mnmn,3.,效率,效率,指流水线的设备利用率。,由于流水线有,通过时间和排空时间,，所以流水线的各段并非一直满负荷工作，,Em,时，,E1,3.效率E n,3.,效率,从时,-,空图上看，效率就是,n,个任务所占的时空区与,m,个段总的时空区之比,根据这个定义，可以计算流水线各段时间不等时的流水线效率,n,个任务占用的时空区,E,m,个段总的时空区,3.效率 n 个任务占用的时空区E ,4.,吞吐率、加速比和效率的关系,E = n,t,0,/T,流水,=mn,t,0,/(T,流水,m)= S/m,效率是实际加速比,S,与最大加速比,m,之比。,E = n,t,0,/T,流水,= (n/T,流水,) ,t,0,=TP,t,0,当,t,0,不变时，流水线的效率与吞吐率呈正比。为提高效率而采取的措施，也有助于提高吞吐率。,4. 吞吐率、加速比和效率的关系,例,3.1,在,静态流水线,上计算,A,i,B,i,，问吞吐率、加速,比、效率各是多少？,解,：,(1),确定适合流水处理的,计算过程,(2),画,时,-,空图,(3),性能计算,吞吐率,TP = 7/20t,0,加速比,S =,34t,0,/20t,0,= 1.7,效率,E,(44,36)/(820),0.21,i=1,m,5.,流水线性能分析实例,例3.1 在静态流水线上计算AiBi ，问吞吐率、加速i,上述方案性能不高！,静态多功能流水线在对某种功能进行处理时，总有某些段处于空闲状态,功能切换增加了前一种功能的排空时间和后一种功能的通过时间,需要把输出回传到输入（相关）,能否通过动态流水线改进其性能,？,举例,I,举例,II,这样行不行？,正确方案,上述方案性能不高！,例,3.3,在,MIPS,的非流水实现和基本流水线中，,5,个功能,单元的执行时间：,10/8/10/10/7ns,。流水线,额外开销为,1ns,，求相对于非流水指令实现而言，,基本,MIPS,流水线的加速比是多少？,解：,T,非流水,= 10 + 8 + 10 + 10 + 7 = 45,T,流水,= 10 + 1 = 11,加速比,S = 45/11 4.1,注： 流水线额外开销包括：流水寄存器的延迟（建立,时间和传输延迟）以及时钟扭曲,例3.3 在MIPS的非流水实现和基本流水线中，5个功能,6.,有关流水线性能的若干问题,流水线并不能减少（而且一般是增加）单条指令的执行时间，但能够提高吞吐率,增加流水线的深度可以提高流水线性能,流水线深度受限于流水线的延迟和额外开销,需要用高速锁存器作为流水线寄存器,Earle,锁存器,指令之间存在的相关，限制了流水线的性能,6. 有关流水线性能的若干问题,体系结构第3章第3讲课件,体系结构第3章第3讲课件,体系结构第3章第3讲课件,体系结构第3章第3讲课件,体系结构第3章第3讲课件,体系结构第3章第3讲课件,体系结构第3章第3讲课件,体系结构第3章第3讲课件,体系结构第3章第3讲课件,体系结构第3章第3讲课件,体系结构第3章第3讲课件,体系结构第3章第3讲课件,体系结构第3章第3讲课件,体系结构第3章第3讲课件,体系结构第3章第3讲课件,Earle,锁存器,1965,年由,J.G.Earle,发明,优点,对时钟扭曲不敏感（相对而言），一般是两级门延迟，避免了数据通过锁存器时可能产生的时钟扭曲,在锁存器中可以执行两级逻辑运算，而不会增加锁存器的延迟时间，可以隐藏锁存器产生的额外开销,Earle锁存器,谢谢！,体系结构第3章第3讲课件,