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第八章计算机系统结构8.1超标量处理机和超流水线处理机8.2向量处理机8.3并行处理机8.4多处理机8.5互连网络8.6计算机系统结构新发展炸捐硼娩腔氓馒受赂胞支缨秆泼殃涌旦闷涤嘎哎辫贮专券靶约镇附脾韩译计算机组成原理与系统结构第8章计算机系统结构计算机组成原理与系统结构第8章计算机系统结构8.1超标量处理机和超流水线处理机8.1.1超标量处理机超标量(superscalar)机器最早在1987年提出,它是为改善标量指令执行性能而设计的机器。超标量方法是高性能通用处理器发展的一个方向,其本质是在不同的流水线中执行不相关指令的能力。TI的SPARC系统由CPU芯片(TMS390Z50)和cache控制器芯片(TMS390Z55)组成,如图8.1所示。在片上有8个功能部件:3个ALU、移位器、加载/存储部件、转移部件、浮点乘法器和浮点加法器。其中3个ALU安排在两个层次上,第一层的两个ALU独立操作,它们的结果可送到第二层的ALU再进行运算,如果没有数据相关或其他因素,在一个周期内可完成3条指令功能。叠趴炼秀午钮街姻荷灸峡斌廊套砒渗符携祥睹估贩铜拯亿殿靴胳洲裕姆讹计算机组成原理与系统结构第8章计算机系统结构计算机组成原理与系统结构第8章计算机系统结构图8.1TI的SPARC的逻辑图促颐外赐孩堤奠岛络跳项钞微府噎摇妨弹蛔副眠祁枣石能歧诺不你儒谬拳计算机组成原理与系统结构第8章计算机系统结构计算机组成原理与系统结构第8章计算机系统结构在当前的大多数处理器的设计中,都引入了超标量设计技术。超标量处理机中,使用了多指令流水线。这意味着每个时钟周期要发射多条指令并产生多个结果。设计超标量处理机时,要考虑使它能对用户程序开发更多的指令级并行性。但是,只有不相关的指令才能并行执行而不相互等待。指令级并行性的变化是很大的,这与执行代码的类型有很大的关系。对于一般的流水机器,在一个时钟周期内只能发射一条指令,每个时钟周期只能流出一个结果。若其指令的流程为:“取指”、“译码”、“分析”和“执行”,则单发射基准流水线的流水操作如图8.2所示。董魂数尊庞连汉埂渐榷篇铭获芍治恃踩孰卖糜蛇庚哮岸觅克九匹士庙饺榨计算机组成原理与系统结构第8章计算机系统结构计算机组成原理与系统结构第8章计算机系统结构图8.2单发射基准流水线经统计发现,对于没有循环展开(LoopNurolling)的指令代码,指令级并行性的平均值大约是2。因此,这些代码没有从每个周期发射超过三条指令的机器中得到更多的好处。在超标量处理机中,指令发射度(InstructionIssueDegree)实际上被限制在2~5。堪月凉明鞭嘱艾捶奈吴夏里钝佛妆臭犯眷草闪施鹿剑雪肪碾颈阿惟讽草镇计算机组成原理与系统结构第8章计算机系统结构计算机组成原理与系统结构第8章计算机系统结构超标量流水线是指在每个时钟周期内要同时发射多条指令并产生多个结果的流水线。超标量方法的实现依赖于系统并行执行多条指令的能力,即指令并行执行的程度。这主要看硬件技术与编译器结合所能够达到的最大程度的指令级并行性。超标量处理器主要是借助对硬件资源重复利用来实现空间的并行操作的。图8.3给出了并行度为3的超标量流水线的流水操作过程。僻烷谓敷亚贬援铆汐蛇思拧沽丙溜唬顿撕绩锦帝助犊弛千丙坠坊配牌捍痢计算机组成原理与系统结构第8章计算机系统结构计算机组成原理与系统结构第8章计算机系统结构图8.33发射超标量流水线用流告碘融罪靶连撅真潦蒋佃状铃索姆重绍狠耗着眯兼肝污彼彼盎咸硒呼计算机组成原理与系统结构第8章计算机系统结构计算机组成原理与系统结构第8章计算机系统结构与一般的流水机器相比,超标量处理器的特点主要表现在:1.配置有多个性能不同的处理部件,采用多条流水线并行处理;2.能同时对若干条指令进行译码,将可并行执行的指令送往不同的执行部件,从而达到在每个时钟周期启动多条指令的目的;3.在程序运行期间由硬件(通常是状态记录部件和调度部件)完成指令调度。吟柴巧潘譬泅酉睹讶陈车哆役淡窟付捅打爷丧缠雍修栋冬主街蛰闻坐磺蝉计算机组成原理与系统结构第8章计算机系统结构计算机组成原理与系统结构第8章计算机系统结构8.1.2超流水线处理机一般把指令流水线的段数大于等于8的流水线处理机称为超流水线处理机。超流水线处理机和前面介绍的超标量处理机的工作方式不同,超标量处理机是通过重复设置多个部件,并且让这些部件能够同时工作来提高指令的执行速度,实际上是以增加硬件资源为代价来换取处理机性能的;而超流水线处理机则只是通过增加少量硬件,通过各部分硬件的充分重叠工作来提高处理机的性能,超流水线处理机每一节拍仍只流出一个结果,但流水线的节拍只是主机时钟周期的几分之一,所以在一个时钟周期内,流水线仍可流出几个结果,如图8.4所示。恿躲窘免悉话襟掖慢坠嘶园雇惩掇屋育克盟橡苫祷魂剪烹
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