1、第七講 流水線技術引論流水線的基本性能n流水線增大了CPU的指令吞吐量-即單位時間完成指令的條數n流水線技術經常對流水線附加一些控制，因而增加了開銷，隨之單條指令執行時間略有加長流水線基本性能例 考察非流水線機器。假設其時鐘周期為10ns，ALU和分支操作需要4個時鐘周期，存儲器操作需要5個時鐘周期，以上操作的比例相應為40%，20%，40% 假設由于存在時鐘偏移和啟動時間，時鐘周期增加了1ns，并忽略其他的影響，求該流水線的加速比。在非流水線的機器上，指令的平均執行時間：指令平均執行時間=時鐘周期 X 平均CPI =10ns X (40%+20%) X 4 + 40% X5 =44ns在流水

2、線方式下，時鐘周期為11ns，即指令的平均時間。 speedup=44ns/11ns=4流水線級數選擇優點n在理想情況下，即流水線處理器中可連續執行的指令條數k - 時，流水線處理器的性能加速比為流水線的級數，因此流水線處理器的性能取決于流水線級數的選取 。n若流水線級數選取得越大，則對于給定的邏輯通路，流水級就分得越細，每一級的邏輯通路就越短，時鐘周期就越快，處理器的性能也就越高。 流水線級數選擇缺陷n隨著流水線級數的增加，由于指令流的斷流所產生的延遲就增加了，這樣將會逐漸掩去由于流水級的增加所帶來的性能增益；n在每一個流水級中，除了實現操作的邏輯通路具有一定的傳輸延遲外，還需要有固定的鎖存

3、開銷時間，包括：鎖存建立、鎖存傳輸和時鐘偏斜 流水線級數選擇-流水線中時鐘周期的組成 RcombinationalcombinationalRRclockclock cyclet propt combinationalt setupclock cycle=t prop + t combinational + t setupt=t prop + t setup +:時鐘偏斜.流水線級數選擇n若邏輯通路過分地細化，雖然邏輯通路的傳輸時間可分攤到各流水級中，但由于鎖存開銷時間是固定的，鎖存開銷時間將會成為決定流水線時鐘周期的主要因素。n另外，隨著流水線級數的增加，流水線中各級所需的鎖存硬件開銷也將逐

4、漸增大；n同時由于流水線級數的增加，處理器的時鐘頻率也將加快，處理器所需的功耗也將逐漸增高。n因此存在一個根據所實現處理器的性能、價格目標，選取滿足設計目標的最佳流水線級數的問題。 流水線級數選擇-最佳流水線長度 Larson和DavidsonLarson73提出了一個求解使所實現的處理器的性能達到最大的最佳流水線級數的模型，該模型的建立是基于處理器的邏輯通路長度L、鎖存開銷時間t、連續執行指令數k。則最佳流水線長度nmax： 式中的nmax 的意義為：當流水線級數增加時，處理器的性能將隨著流水線級數的增加而逐漸增加；當流水線級數增加為nmax時，處理器的性能達到最大；此后盡管再繼續增加流水線

5、的級數，處理器性能開始下降。max(1)L knt流水線級數選擇-最佳流水線長度n可以得到一個結論：減少t值，可以獲得更長的流水線，獲取更高的性能。t值的減少可通過兩種渠道：一方面在實現中采用快速的鎖存器；另一方面在實現中采用合理的時鐘分配方案來減少時鐘偏斜。 n在設計處理器的流水線時，需考察分析各種影響流水線設計的有關因素，根據所實現處理器的性能、價格目標，選取滿足設計目標的最佳流水線級數，使所實現的處理器達到設計要求。 流水級的分配n為了保證各流水級中操作的平衡，一個最直接的想法是依照最佳流水線級數將邏輯通路中的邏輯門進行平均分配來進行流水線的劃分。圖示出了在兩個寄存器之間具有L個邏輯級的

6、一級流水線；若流水線分為兩級，則每一級邏輯有L/2個邏輯門；以此類推。n但是由于處理器中的邏輯結構非常復雜，存在眾多的中間信號和反饋信號，這樣劃分會增加太多的流水級鎖存，是極為不現實的。RRRLL/2L/2RRclockclock流水級的分配n通常在進行流水線的劃分時，將所確定的最佳流水線級數作為參考，依據功能來進行劃分的。n依據功能來進行劃分所帶來的好處是：流水級之間彼此獨立，中間信號可以減少，減少中間鎖存的開銷；n其缺點是：很難完全平衡流水線中各流水級的操作 將一個功能劃分為一個子功能流水線的條件 n所劃分的子功能流水線的功能等價于原功能；n在子功能流水線中，前一個子功能流水級的輸出是下一個子功能流水級的輸入；n在各子功能流水級之間僅存在輸入與輸出的聯系，而無其它任何內部聯系；n各子功能流水級的功能實現可由硬件完成；n各子功能