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影响流水线性能的因素:
流水线处理方式是一种时间重叠并行处理的处理技术,具体地说,就是流水线可以在同一个时间启动2个或以上的操作,借此来提高性能。为了实现这一点,流水线必须要时时保存畅通,让任务充分流水,但在实际中,会出现2种情况使流水线停顿下来或不能启动:
1、多个任务在同一时间周期内争用同一个流水段。例如,假如在指令流水线中,如果数据和指令是放在同一个储存器中,并且访问接口也只有一个,那么,两条指令就会争用储存器;在一些算数流水线中,有些运算会同时访问一个运算部件……
2、数据依赖。比如,A运算必须得到B运算的结果,但是,B运算还没有开始,A运算动作就必须等待,直到A运算完成,两次运算不能同时执行。
解决方案:
X一种情况,增加运算部件的数量来使他们不必争用同一个部件;
X二种情况,用指令调度的方法重新安排指令或运算的顺序。
1、XX流水线(SuperPipeline)
XX流水线又叫做深度流水线,它是提高cpu速度通常采取的一种技术。CPU处理指令是通过Clock来驱动的,每个clock完成一X流水线操作。每个周期所做的操作越少,需要的时间久越短,时间越短,频率就可以提得越高。XX流水线就是将cpu处理指令是得操作进一步细分,增加流水线X数来提高频率。频率高了,当流水线开足马力运行时平均每个周期完成一条指令(单发射情况下),这样cpu处理得速度久提高了。当然,这是理想情况下,一般是流水线X数越多,重叠执行的执行就越多,那么发生竞争冲突得可能性就越大,对流水线性能有一定影响现在很多cpu都是将X标量和XX流水线技术一起使用,例如pentiumIV,流水线达到20X,频率X快已经X过3GHZ。教科书上用于教学的经典MIPS只有5X流水。
2、X标量(SuperScalar)
将一条指令分成若干个周期处理以达到多条指令重叠处理,从而提高cpu部件利用率的技术叫做标量流水技术。XX标量是指cpu内一般能有多条流水线,这些流水线能够并行处理。在单流水线结构中,指令虽然能够重叠执行,但仍然是顺序的,每个周期只能发射(issue)或退休(retire)一条指令。XX标量结构的cpu支持指令X并行,每个周期可以发射多条指令(2-4条居多)。可以使得cpu的IPC(InstructionPerClock)>,从而提高cpu处理速度。XX标量机能同时对若干条指令进行译码,将可以并行执行的指令送往不同的执行部件,在程序运行期间,由硬件(通常是状态记录部件和调度部件)来完成指令调度。XX标量机主要是借助硬件资源重复(例如有两套译码器和ALU等)来实现空间的并行操作。熟知的pentium系列(可能是p-II开始),还有SUNSPARC系列的较高X型号,以及MIPS若干型号等都采用了XX标量技术。
3、X长指令字(VLIW:VeryLongInstructionWord)
X常指令字是由美国Yale大学教授Fisher提出的。它有点类似于XX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。
VLIW机器较少,可能不太容易实现,业界比较有名的VLIW公司之一是Transmeta,在加州硅谷SantaClara(硅谷圣地之一,还有SanJose,PaloAlto)。它做的机器采用X86指令集,VLIW实现,具体资料可以去访问公司的网站。
4、向量机(VectorMachine)
平时接触的计算机都是标量机,向量机都是大型计算机,一般用于军事工业,气象预报,以及其他大型科学计算X域,这也说明了向量机都很贵。国产的银河计算机就是向量机普通的计算机所做的计算,例如加减乘除,只能对一组数据进行操作,被称为标量运算。向量运算一般是若干同类型标量运算的循环。向量运算通常是对多组数据成批进行同样运算,所得结果也是一组数据。很多做科学计算的大(巨)型机都是向量机,例如国产银河。