计算机科学中的流水线技术.docx

1、计算机科学中的流水线技术摘要流水线技术是提高系统吞吐率的一项强大的实现技术，并且不需要大量重复设置硬件。20世界60年代早期的一些高端机器中第一次采用了流水线技术。第一个采用指令流水线的机器是IBM7030（又称作Stretch计算机）。后来的CDC 6600同时采用了流水线和多功能部件。到了20世纪80年代，流水线技术成为RISC处理器设计方法中最基本的技术之一。RISC设计方法的大部分技术都直接或者间接以提高流水线性能为目标。从此以后，流水线技术也被有效地应用到CISC处理器的设计中。Intel i486是IA32体系结构中的第一个流水线实现。Digital的VAX和Motorola的M6

2、8K的流水线版本在商业上也取得了成功。流水线技术是当前指令集处理器设计中广泛采用的技术。在这里我们将重点放在（标量）流水线处理器的设计。流水线处理器设计中的许多方法和技术，例如用于检测和化解相关的流水线互锁机制，都是标量处理器设计的基本方法。当前的趋势是朝着超深度流水线的方向发展。流水线的深度已经从不到10发展到超过20.深度流水是获得高速始终频率的必要条件，这是提高处理器性能的一个非常有效的方法。有迹象表明。这种趋势还将持续下去。 关键词 流水线技术 猜测法 中断处理 吞吐率 指令重叠 加快短循环程序的处理AbstractPipeline technology is to improve t

3、he system throughput of a powerful technology, and does not require repetitive set hardware. The 20 world early 60s some high-end machines used the first pipeline technology. The first use of the instruction pipeline machine is IBM7030(also called Stretch computer ). Later CDC6600at the same time li

4、nes and multiple functional components.In the nineteen eighties, pipeline technology to become the RISC processor design method is one of the most basic techniques. The design method of RISC most of the techniques are directly or indirectly to improve performance as the goal line. Since then, assemb

5、ly line techniques have also been applied effectively to the CISC processor. Intel i486 is IA32 architecture is the first in a pipelined implementation. Digital VAX and Motorola M68K pipelined version also achieved success in business.Pipeline technology is the current instruction set processor is w

6、idely used in the design of technology. Here we will focus on the ( scalar ) pipelined processor design. A pipelined processor in the design of many methods and techniques, for example, used to detect and resolve the relevant pipeline interlock mechanism, is a scalar processor design method.The curr

7、ent trend is towards super depth line direction. Pipeline depth has less than10 to the development of more than 20depth of water is always necessary to obtain high speed frequency, which is to improve the performance of a very effective method. There are signs. This trend will continue.Keywords: Pip

8、eline technology forecast method of interrupt processing throughput instruction overlapping accelerate short cycle program processing目录第一章 绪论 31.1 现代RISC中的流水线技术 31.1.1 超流水线技术 31.1.2 超标量技术 41.1.3 流水技术在Pentium系列微处理器中的实现 4第二章 流水线基础 72.1 流水线概念 72.1.1 指令重叠 72.1.2 流水线 82.1.3 流水线的特点 92.1.4 流水线的分类 102.2 流水线

9、的主要性能 112.2.1 吞吐率 122.2.2 加速比和效率 12第三章 指令流水线设计 153.1 流水线理想假设 153.1.1 一致的运算分量 153.1.2 重复的运算 163.1.3 独立的运算 173.2 指令流水线 183.2.1 指令流水线设计 183.2.2 指令集体系结构的影响 193.2.3 流水线分级的考虑 203.3 流水线处理器设计 213.3.1 保持流水段均衡 213.3.2 统一指令类型 223.3.3 减少流水线停顿 26第四章 流水线中各种相关及中断处理 274.1 流水线中相关 274.2 资源相关 274.3 数据相关 284.3.1 指令相关 2

10、84.3.2 主存空间操作数相关 294.3.3 通用寄存器组相关 294.4 控制相关 314.4.1 猜测法 314.4.2 加快和提前形成条件码 324.4.3 采取转移延迟 324.4.4 加快短循环程序的处理 32第五章 中断处理与流水线调度 355.1 中断处理 355.2 流水线调度 35第六章 总结与展望 39致谢 41参考文献 42第1章 绪论流水线技术是提高系统吞吐率的一项强大的实现技术，并且不需要大量重复设置硬件。20世界60年代早期的一些高端机器中第一次采用了流水线技术。第一个采用指令流水线的机器是IBM7030（又称作Stretch计算机）。后来的CDC 6600同时

11、采用了流水线和多功能部件。到了20世纪80年代，流水线技术成为RISC处理器设计方法中最基本的技术之一。RISC设计方法的大部分技术都直接或者间接以提高流水线性能为目标。从此以后，流水线技术也被有效地应用到CISC处理器的设计中。Intel i486是IA32体系结构中的第一个流水线实现。Digital的VAX和Motorola的M68K的流水线版本在商业上也取得了成功。流水线技术是当前指令集处理器设计中广泛采用的技术。在这里我们将重点放在（标量）流水线处理器的设计。流水线处理器设计中的许多方法和技术，例如用于检测和化解相关的流水线互锁机制，都是标量处理器设计的基本方法。当前的趋势是朝着超深度

12、流水线的方向发展。流水线的深度已经从不到10发展到超过20.深度流水是获得高速始终频率的必要条件，这是提高处理器性能的一个非常有效的方法。有迹象表明。这种趋势还将持续下去。1.1 现代RISC中的流水线技术1.1.1 超流水线技术超级流水线（超级流水线集）技术是用在一个并行处理技术。在他稀疏的水，增加的数量和提高频率，从而在每个机器周期完成一个或2个浮点操作。其实质是以时间换取空间。超纯水机的特点是在所有的功能单位只使用水，并具有更高的时钟频率和更深的水的深度。1.1.2 超标量技术超标量（Super Scalar）技术是RISC采用的有一种处理技术。它通过内装多条流水线来同时执行多个处理。其

13、实质就是以空间换取时间。流水线实现中的问题及解决:这是一个问题的连续流动，这似乎并没有流下，从而获得更高的效率。停止的原因很多，除了编译生成的目标程序可以发挥结构的作用，水，或存储系统可以提供一个连续流动所需的指令和操作数，基本上还出现相关，转移和中断指令相关的。解偏相关有2种方法：后退方法和路径的方法；解决全球相互关系有三种方法：猜测转移，加快推进形成条件代码，加快短循环程序处理。1.1.3 流水技术在Pentium系列微处理器中的实现流水线技术早在英特尔凌动芯片已经实现。奔腾系列处理器产品是一个高级的超标量处理器。它是建筑在一般整数流水线和一个浮点单元在线，这使处理器执行整数指令。一对透明

14、的软件动态分支预测机制可以使分支流水线堵塞最小化。奔腾处理器可以在一个时钟周期内完成2指示，流水线完成命令。第一个逻辑管叫“你”的流水线，一次电话“五”流水线。在任何一个给定的指令解码时，它是安排后面的指令将被检查。和，如果可能的话，第一个指令被分配到“你”流水线执行指令，其次是分配到“胜利”的流水线执行。如果不是，那么第一个指令设置为“你”“五”流水线流水线执行，不安排指令操作。教学中的操作和流水线的顺序执行所产生的效果是完全一样的。当流水线堵塞，随后的指令指令是阻止任何流水线。技术的奔腾处理器的整数流水线增加一个额外的处理阶段。指令代码缓冲区缓存预取，美联储的“预”（公积金）阶段，并在“提

15、取”（女）阶段的教学语法分析。此外，所有前缀的解码阶段。在教学第一先出（先进先出）指令缓冲区中的语法分析和指令解码分开，缓冲区位于的阶段，the1stage（D 1）之间的解码。先进先出缓冲空间指令处理最多四个指示。先进先出缓冲区是透明的，当它是空的，没有额外的延迟。在每个时钟周期的指令，指令缓冲区（按有效代码字节，和其他因素，如前缀）。然后，对指令的先进先出缓冲射出去，到d1stage。由于指令的平均执行效率为每个时钟周期不超过2指令，所以通常全是先进先出。只要是先进先出，你可以防止取指令和语法分析产生阻塞。如果这阻塞，先进先出也可以使阻塞的执行管线阶段发生。但如果是先进先出空，因为没有指令

16、流水线操作，这可能导致执行一个块。长指令或一个前缀可以在先进先出入口产生阻塞。超流水线(Super Pipeline)在本质上仍为一种流水线技术，但它做了以下的改进：1、流水线条数从奔腾的两条增至三条，还有十一个独立的执行单元并行支持。2、在实施无序执行（采取所有加工）技术。当一个指令需要一些数据并不能立即执行，它将被删除线和等数据，处理器是立即执行的指示下，就像在装配线发现产品不合格，但被淘汰，等原因。这样，可以防止无法执行命令影响整个生产线的效率。3、在p6instruction分为更细的相位，使逻辑设计，工艺等更为简化，提高了速度。在486chip，指令一般分为五个部分，奔腾也是如此。在六，由于采用了类似的精简指令集计算机技术，一个指令分为十四