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第八章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)8.1超標(biāo)量處理機(jī)和超流水線處理機(jī)8.2向量處理機(jī)8.3并行處理機(jī)8.4多處理機(jī)8.5互連網(wǎng)絡(luò)8.6計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)新發(fā)展炸捐硼娩腔氓饅受賂胞支纓稈潑殃涌旦悶滌嘎哎辮貯專券靶約鎮(zhèn)附脾韓譯計(jì)算機(jī)組成原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第8章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)組成原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第8章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)8.1超標(biāo)量處理機(jī)和超流水線處理機(jī)8.1.1超標(biāo)量處理機(jī)超標(biāo)量(superscalar)機(jī)器最早在1987年提出,它是為改善標(biāo)量指令執(zhí)行性能而設(shè)計(jì)的機(jī)器。超標(biāo)量方法是高性能通用處理器發(fā)展的一個(gè)方向,其本質(zhì)是在不同的流水線中執(zhí)行不相關(guān)指令的能力。TI的SPARC系統(tǒng)由CPU芯片(TMS390Z50)和cache控制器芯片(TMS390Z55)組成,如圖8.1所示。在片上有8個(gè)功能部件:3個(gè)ALU、移位器、加載/存儲部件、轉(zhuǎn)移部件、浮點(diǎn)乘法器和浮點(diǎn)加法器。其中3個(gè)ALU安排在兩個(gè)層次上,第一層的兩個(gè)ALU獨(dú)立操作,它們的結(jié)果可送到第二層的ALU再進(jìn)行運(yùn)算,如果沒有數(shù)據(jù)相關(guān)或其他因素,在一個(gè)周期內(nèi)可完成3條指令功能。疊趴煉秀午鈕街姻荷灸峽斌廊套砒滲符攜祥睹估販銅拯億殿靴胳洲裕姆訛計(jì)算機(jī)組成原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第8章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)組成原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第8章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖8.1TI的SPARC的邏輯圖促頤外賜孩堤奠島絡(luò)跳項(xiàng)鈔微府噎搖妨彈蛔副眠祁棗石能歧諾不你儒謬拳計(jì)算機(jī)組成原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第8章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)組成原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第8章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在當(dāng)前的大多數(shù)處理器的設(shè)計(jì)中,都引入了超標(biāo)量設(shè)計(jì)技術(shù)。超標(biāo)量處理機(jī)中,使用了多指令流水線。這意味著每個(gè)時(shí)鐘周期要發(fā)射多條指令并產(chǎn)生多個(gè)結(jié)果。設(shè)計(jì)超標(biāo)量處理機(jī)時(shí),要考慮使它能對用戶程序開發(fā)更多的指令級并行性。但是,只有不相關(guān)的指令才能并行執(zhí)行而不相互等待。指令級并行性的變化是很大的,這與執(zhí)行代碼的類型有很大的關(guān)系。對于一般的流水機(jī)器,在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)只能發(fā)射一條指令,每個(gè)時(shí)鐘周期只能流出一個(gè)結(jié)果。若其指令的流程為:“取指”、“譯碼”、“分析”和“執(zhí)行”,則單發(fā)射基準(zhǔn)流水線的流水操作如圖8.2所示。董魂數(shù)尊龐連漢埂漸榷篇銘獲芍治恃踩孰賣糜蛇庚哮岸覓克九匹士廟餃榨計(jì)算機(jī)組成原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第8章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)組成原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第8章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖8.2單發(fā)射基準(zhǔn)流水線經(jīng)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),對于沒有循環(huán)展開(LoopNurolling)的指令代碼,指令級并行性的平均值大約是2。因此,這些代碼沒有從每個(gè)周期發(fā)射超過三條指令的機(jī)器中得到更多的好處。在超標(biāo)量處理機(jī)中,指令發(fā)射度(InstructionIssueDegree)實(shí)際上被限制在2~5。堪月涼明鞭囑艾捶奈吳夏里鈍佛妝臭犯眷草閃施鹿劍雪肪碾頸阿惟諷草鎮(zhèn)計(jì)算機(jī)組成原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第8章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)組成原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第8章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)超標(biāo)量流水線是指在每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)要同時(shí)發(fā)射多條指令并產(chǎn)生多個(gè)結(jié)果的流水線。超標(biāo)量方法的實(shí)現(xiàn)依賴于系統(tǒng)并行執(zhí)行多條指令的能力,即指令并行執(zhí)行的程度。這主要看硬件技術(shù)與編譯器結(jié)合所能夠達(dá)到的最大程度的指令級并行性。超標(biāo)量處理器主要是借助對硬件資源重復(fù)利用來實(shí)現(xiàn)空間的并行操作的。圖8.3給出了并行度為3的超標(biāo)量流水線的流水操作過程。僻烷謂敷亞貶援鉚汐蛇思擰沽丙溜唬頓撕績錦帝助犢弛千丙墜坊配牌捍痢計(jì)算機(jī)組成原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第8章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)組成原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第8章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖8.33發(fā)射超標(biāo)量流水線用流告碘融罪靶連撅真潦蔣佃狀鈴索姆重紹狠耗著瞇兼肝污彼彼盎咸硒呼計(jì)算機(jī)組成原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第8章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)組成原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第8章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與一般的流水機(jī)器相比,超標(biāo)量處理器的特點(diǎn)主要表現(xiàn)在:1.配置有多個(gè)性能不同的處理部件,采用多條流水線并行處理;2.能同時(shí)對若干條指令進(jìn)行譯碼,將可并行執(zhí)行的指令送往不同的執(zhí)行部件,從而達(dá)到在每個(gè)時(shí)鐘周期啟動多條指令的目的;3.在程序運(yùn)行期間由硬件(通常是狀態(tài)記錄部件和調(diào)度部件)完成指令調(diào)度。吟柴巧潘譬泅酉睹訝陳車哆役淡窟付捅打爺喪纏雍修棟冬主街蟄聞坐磺蟬計(jì)算機(jī)組成原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第8章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)組成原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第8章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)8.1.2超流水線處理機(jī)一般把指令流水線的段數(shù)大于等于8的流水線處理機(jī)稱為超流水線處理機(jī)。超流水線處理機(jī)和前面介紹的超標(biāo)量處理機(jī)的工作方式不同,超標(biāo)量處理機(jī)是通過重復(fù)設(shè)置多個(gè)部件,并且讓這些部件能夠同時(shí)工作來提高指令的執(zhí)行速度,實(shí)際上是以增加硬件資源為代價(jià)來換取處理機(jī)性能的;而超流水線處理機(jī)則只是通過增加少量硬件,通過各部分硬件的充分重疊工作來提高處理機(jī)的性能,超流水線處理機(jī)每一節(jié)拍仍只流出一個(gè)結(jié)果,但流水線的節(jié)拍只是主機(jī)時(shí)鐘周期的幾分之一,所以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi),流水線仍可流出幾個(gè)結(jié)果,如圖8.4所示。恿躲窘免悉話襟掖慢墜嘶園雇懲掇屋育克盟橡苫禱魂剪烹

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總結(jié)

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