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1、高級流水線技術(shù) 超長指令字 網(wǎng)工 1101班 朱旭宏 2011011317 張 旭 2011011316 張佳煜 2011011331 ? ? ? 成員介紹 其實 張佳煜 張旭 朱旭宏 成員介紹 二、流水線核心思想 三、工作機制 四、其優(yōu)缺點 一、流水線介紹 主要內(nèi)容 流水線介紹 （ 1）定義 流水線（ pipeline）技術(shù)是指在程序執(zhí)行時多條指 令重疊進行操作的一種準并行處理實現(xiàn)技術(shù)。流水線是 Intel首次在 486芯片中開始使用的。流水線的工作方式 就象工業(yè)生產(chǎn)上的裝配流水線。在 CPU中由 5 6個不 同功能的電路單元組成一條指令處理流水線，然后將一 條 X86指令分成 5 6步后再

2、由這些電路單元分別執(zhí)行， 這樣就能實現(xiàn)在一個 CPU時鐘周期完成一條指令，因此 提高 CPU的運算速度。經(jīng)典奔騰每條整數(shù)流水線都分為 四級流水，即指令預取、譯碼、執(zhí)行、寫回結(jié)果，浮點 流水又分為八級流水。 流水線介紹 （ 2） 產(chǎn)生背景 借鑒了工業(yè)流水線制造的思想，現(xiàn)代 CPU也采用 了流水線設計。在工業(yè)制造中采用流水線可以提高單位 時間的生產(chǎn)量；同樣在 CPU中采用流水線設計也有助于 提高 CPU的頻率。例如裝配一輛汽車需要 4個步驟：沖 壓、焊接、涂裝、總裝；同時對應地需要沖壓、焊接、 涂裝和總裝四個工人。采用流水線的制造方式，同一時 刻四輛汽車在裝配。如果不采用流水線，那么第一輛汽 車依

3、次經(jīng)過上述四個步驟裝配完成之后，下一輛汽車才 開始進行裝配，最早期的工業(yè)制造就是采用的這種原始 的方式。未采用流水線的原始制造方式，同一時刻只有 一輛汽車在裝配。 流水線介紹 不久之后就發(fā)現(xiàn)，某個時段中一輛汽車在進行裝配 時，其它三個工人處于閑置狀態(tài)，顯然這是對資源的極 大浪費！于是開始思考能有效利用資源的方法：在第一 輛汽車經(jīng)過沖壓進入焊接工序的時候，立刻開始進行第 二輛汽車的沖壓，而不是等到第一輛汽車經(jīng)過全部四個 工序后才開始。之后的每一輛汽車都是在前一輛沖壓完 畢后立刻進入沖壓工序，這樣在后續(xù)生產(chǎn)中就能夠保證 四個工人一直處于運行狀態(tài)，不會造成人員的閑置。這 樣的生產(chǎn)方式就好似流水川流不

4、息，因此被稱為流水線。 流水線介紹 （ 3） 計算機應用 CPU的工作也可以大致分為指令的獲取、解碼、 運算和結(jié)果的寫入四個步驟，采用流水線設計之后，指 令（好比待裝配的汽車）就可以連續(xù)不斷地進行處理。 在同一個較長的時間段內(nèi)，顯然擁有流水線設計的 CPU 能夠處理更多的指令。 流水線核心思想 超常指令字 （ 1）定義 超常指令字（ VLIW： VeryLongInstructionWord） 是由美國 Yale大學教授 Fisher提出的。它有點類似于超 級標量，是一條指令來實現(xiàn)多個操作的并行執(zhí)行，之所 以放到一條指令是為了減少內(nèi)存訪問。通常一條指令多 達上百位，有若干操作數(shù)，每條指令可以做

5、不同的幾種 運算。那些指令可以并行執(zhí)行是由編譯器來選擇的。通 常 VLIW機只有一個控制器，每個周期啟動一條長指令， 長指令被分為幾個字段，每個字段控制相應的部件。由 于編譯器需要考慮數(shù)據(jù)相關(guān)性，避免沖突，并且盡可能 利用并行，完成指令調(diào)度，所以硬件結(jié)構(gòu)較簡單。 超常指令字 （ 2）工作機制 在一個基本時鐘周期內(nèi)能夠分時發(fā)射多條指令的處 理機，一般流水線的級數(shù)多達 8條及以上。超流水線處 理機采用多相的高頻時鐘。一臺度為 m的超流水線處理 機的時鐘 t只是基本時鐘周期 t的 1/m。如果一條指 令的解釋需要 K個 t，則共需 Kmt的時鐘解釋。讓指 令之間錯開一個 t的時間，重疊流水地工作，執(zhí)

6、行完 N條指令的時間為： K+(N-1)/m t 當 N趨于無窮大時，并行度可達到最大值 m。 超長指令字 （ 3）優(yōu)缺點 優(yōu)點 把能并行執(zhí)行的多條指令組裝成一條很長的指令 設置多個功能部件 指令字被分割成一些字段，每個字段稱為一個操 作槽，直接獨立地控制一個功能部件。 超長指令字結(jié)構(gòu)的處理器采用軟件靜態(tài)編譯的方 法替代動態(tài)調(diào)度，由編譯器完成在更大范圍內(nèi)的指 令調(diào)度，有效地降低了流水線的復雜度，使單芯片 上可以容納更多的重復資源以同時處理多條指令。 超長指令字 （ 3）優(yōu)缺點 缺點 程序代碼長度增加了提高并行性而進行的大量的 循環(huán)展開。指令字中的操作槽并非總能填滿。 采用了鎖步機制任何一個操作部件出現(xiàn)停頓時， 整個處理機都要停頓。 機器代碼的不兼容性 超長指令字 （ 4）應用 超長指令字 DSP面向 MP3、 PMP中的 SoC應用 臺灣地區(qū)的研究人員已自主開發(fā)出了一種超長指令 字 (VLIW)DSP，適用于 MP3、 PMP及其它低功耗便攜 產(chǎn)品中的 SoC。同時，他們也在致力于開發(fā)下一代多內(nèi) 核、多線程架構(gòu)，以處理高清編碼或視頻搜索之類的任 務。 謝謝！