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7、指令流水.md
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# 指令流水
如何提高计算机性能
* 提高访存速度
* 高速芯片
* Cache
* 多体并行
* 提高 I/O 和主机之间的传送速度
* 中断
* DMA
* 通道
* I/O 处理机
* DMA
* 多总线
* 提高运算器速度
* 高速芯片
* 改进算法
* 快速进位链
* 提高整机处理能力
* 高速器件
* 改进系统结构
* 开发系统的并行性
**系统的并行性**
* 并行的概念
* 并发：两个或两个以上事件在 同一时间段 发生
* 同时：两个或两个以上事件在 同一时刻 发生
* 并行性的等级
* 过程级（程序、进程）：粗粒度 软件实现
* 指令级（指令之间、指令内部）：细粒度 硬件实现
**指令流水原理**
* 指令的串行执行
<img src="https://img-blog.csdnimg.cn/20201219144124627.png" width="50%" height="50%" />
* 取指令：取指令部件 完成
执行指令：执行指令部件 完成
* 总有一个部件空闲
* 指令的二级流水
<img src="https://img-blog.csdnimg.cn/20201219144145696.png" width="40%" height="50%" />
* 若取指 和 执行阶段时间上 完全重叠
* 指令周期减半 速度提高 1 倍
* 影响指令流水效率加倍的因素
* 执行时间 > 取指时间
<img src="https://img-blog.csdnimg.cn/20201219144211908.png" width="40%" height="50%" />
* 条件转移指令 对指令流水的影响
* 必须等 上条 指令执行结束，才能确定 下条 指令的地址，造成时间损失
* 解决办法 : 猜测法
* 指令的六级流水
<img src="https://img-blog.csdnimg.cn/2020121914423718.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzkzNDYwNw==,size_16,color_FFFFFF,t_7" width="50%" height="50%" />
**影响指令流水线性能的因素**
* 结构相关
<img src="https://img-blog.csdnimg.cn/20201219144300135.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzkzNDYwNw==,size_16,color_FFFFFF,t_70" width="50%" height="50%" />
* 不同指令争用同一功能部件产生资源冲突
* 解决办法
* 停顿
* 指令存储器和数据存储器分开
* 指令预取技术 （适用于访存周期短的情况）
* 数据相关
* 不同指令因重叠操作，可能改变操作数的 读/ 写 访问顺序
* 写后读相关（RAW ）
<img src="https://img-blog.csdnimg.cn/20201219144323736.png" width="40%" height="50%" />
* 读后写相关（WAR ）
<img src="https://img-blog.csdnimg.cn/20201219144349431.png" width="40%" height="50%" />
* 写后写相关（WAW ）
<img src="https://img-blog.csdnimg.cn/20201219144409219.png" width="40%" height="50%" />
* 解决办法
* 后推法
* 采用 旁路技术
* 控制相关
* 由转移指令引起
<img src="https://img-blog.csdnimg.cn/20201219144429583.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzkzNDYwNw==,size_16,color_FFFFFF,t_7" width="40%" height="50%" />
* 损失
<img src="https://img-blog.csdnimg.cn/20201219144452843.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzkzNDYwNw==,size_16,color_FFFFFF,t_70" width="50%" height="50%" />
**流水线性能**
* 吞吐率
* 单位时间内 流水线所完成指令 或 输出结果的数量
* 计算
<img src="https://img-blog.csdnimg.cn/20201219144513351.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzkzNDYwNw==,size_16,color_FFFFFF,t_70" width="35%" height="50%" />
* 加速比 $S_p$
* m 段的流水线的速度，与等功能的非流水线的速度
* 计算
<img src="https://img-blog.csdnimg.cn/2020121914453974.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzkzNDYwNw==,size_16,color_FFFFFF,t_70" width="35%" height="50%" />
* 效率
* 流水线中各功能段的 利用率
* 由于流水线有 建立时间 和 排空时间，因此各功能段的 设备不可能一直处于工作状态
* 计算
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**流水线的多发技术**
* 超标量技术
<img src="https://img-blog.csdnimg.cn/2020121914462711.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzkzNDYwNw==,size_16,color_FFFFFF,t_70" width="50%" height="50%" />
* 每个时钟周期内可并发多条独立指令
* 配置多个功能部件
* 不能调整 指令的 执行顺序
* 通过编译优化技术，把可并行执行的指令搭配起来
* 超流水线技术
<img src="https://img-blog.csdnimg.cn/20201219144652812.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzkzNDYwNw==,size_16,color_FFFFFF,t_70" width="50%" height="50%" />
* 在 一个时钟周期内再分段 （3段）
* 在一个时钟周期内 一个功能部件使用多次（ 3次）
* 不能调整 指令的 执行顺序
* 靠编译程序解决优化问题
* 超长指令字技术
<img src="https://img-blog.csdnimg.cn/20201219144714793.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzkzNDYwNw==,size_16,color_FFFFFF,t_70" width="50%" height="50%" />
* 由编译程序挖掘出指令间 潜在的并行性
* 将多条能并行操作的指令组合成
* 具有 多个操作码字段 的 超长指令字 （可达几百位）
* 采用多个处理部件
**流水线结构**
* 指令流水线结构
* 完成一条指令分 6 段，每段需一个时钟周期
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* 若流水线不出现断流 1 个时钟周期出 1 结果
* 不采用流水技术 6 个时钟周期出 1 结果
* 理想情况下，6 级流水 的速度是不采用流水技术的6 倍
* 运算流水线
* 完成 浮点加减运算可分：对阶、尾数求和、规格化
<img src="https://img-blog.csdnimg.cn/20201219144802448.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzkzNDYwNw==,size_16,color_FFFFFF,t_70" width="40%" height="50%" />
* 分段原则每段操作时间尽量一致