流水线题解.ppt
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1、作作5.25.2 设设一一条条指指令令的的执执行行过过程程分分为为“取取指指令令”、“分分析析”和和“执执行行”三三段段,每每一一段段的的执执行行时时间间分分别别为为tt、2t2t和和3t3t。在在下下列列各各种种情情况况下下,分分别别写写出出连连续续执执行行n n条条指指令令所所需需要要的的时间表达式。时间表达式。(1 1)顺序执行方式。)顺序执行方式。(2 2)仅)仅“取指令取指令”和和“执行执行”重叠。重叠。(3 3)“取指令取指令”、“分析分析”和和“执行执行”重叠重叠(4 4)先行控制方式)先行控制方式流水线练习题l解:解:l(1 1)顺序执行需要的时间如下:)顺序执行需要的时间如下
2、:l(2 2)取指令和执行重叠,即一次重叠执行方式,我们假设第)取指令和执行重叠,即一次重叠执行方式,我们假设第n+1n+1条指条指令的取指令和令的取指令和第第n n条指令的执行同时结束,那么所需要的时间为:条指令的执行同时结束,那么所需要的时间为:l(3 3)取指令、分析和执行重叠)取指令、分析和执行重叠l(4)(4)先行控制方式先行控制方式1234 t t 3 t t 例例5.1 带有瓶颈部件的带有瓶颈部件的4功能段流水线功能段流水线,tt1 1=t=t2 2=t=t4 4=t,=t,tt3 3=3t,4=3t,4个任务、个任务、1010个任务时个任务时TPTP,E E、S SP P 。(
3、1)分析法)分析法:各段时间不等各段时间不等TP=TP=ntti i+(n-1)+(n-1)tjtji=1mSTS1S2S3S4t1t2t3t4t5t6t7t8t9t10t12t13t14t151 234t111 23412341234输出输出=Sp=n*tti imi=1tti i+(n-1)(n-1)*t tj jmI=14*6 tt 15 tt=242415=1.6E=E=n n个任务实际占用的时个任务实际占用的时-空区空区M M各段总的时各段总的时-空区空区(2)时空图法)时空图法例例5.2 以浮点加法运算为例(四段流水线)各段时间相等,以浮点加法运算为例(四段流水线)各段时间相等,求
4、吞吐率、效率。求吞吐率、效率。求求Z=A+B+C+D+E+F+G+H,TP、E、Sp (注意有相关注意有相关)Z=A+B+C+D+E+F+G+H1234567TP=7/15ttE E=7*4/(15*4)=7/1546%Sp=4*7/15=28/15=1.87解解:流水线的效率不高,原因在于存在着数据相关流水线的效率不高,原因在于存在着数据相关,有空闲功能段。有空闲功能段。时间时间空间空间1111222233334444555566667777 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15例例5.3 ASC计算机多功能算术运算流水线各段时间相等,计算机多功能算术运算流
5、水线各段时间相等,6次浮点次浮点加、加、5次定点乘的吞吐率,效率,加速比次定点乘的吞吐率,效率,加速比 m=8,n=11分析:分析:T加加=6+(6-1)*1=11(t)T乘乘=4+(5-1)*1=8(t)则则 TP=11/(11+8)t=11/19t E=(6*6+5*4)t/(19*8t)=36.8%Sp=(6*6+5*4)t/19t=56/19=2.94 123456123456123456123456123458671234561 23456时间时间浮加浮加定点乘定点乘一一二二三三 四四 五五一一二二三三 四四 五五一一二二三三 四四五五一一二二三三 四四五五 1 2 3 4 5 6
6、7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19题题5.1 5.1 一一条条线线性性流流水水线线有有4 4个个功功能能段段组组成成,每每个个功功能能段段的的延延迟迟时时间间都都相相等等,都都为为tt。开开始始5 5个个tt,每每间间隔隔一一个个tt向向流流水水线线输输入入一一个个任任务务,然然后后停停顿顿2 2个个tt,如如此此重重复复。求求流流水线的实际吞吐率、加速比和效率。水线的实际吞吐率、加速比和效率。解答解答流水线的时空图如下:流水线的时空图如下:我我们们可可以以看看出出,在在(11n+111n+1)tt的的时时间间内内,可可以以输输出出5n5n个个结结果果,如如
7、果果指指令令的的序序列列足足够够长长(nn),并并且且指指令令间间不不存存在相关,那么,吞吐率可以认为满足:在相关,那么,吞吐率可以认为满足:加速比为:加速比为:从上面的时空图很容易看出,效率为:从上面的时空图很容易看出,效率为:例例5.45.4 用一条用一条5 5个功能段的浮点加法器流水线计算个功能段的浮点加法器流水线计算 每每个个功功能能段段的的延延迟迟时时间间均均相相等等,流流水水线线的的输输出出端端和和输输入入端端之之间间有有直直接接数数据据通通路路,而而且且设设置置有有足足够够的的缓缓冲冲寄寄存存器器。要要求求用用尽尽可可能能短短的的时时间间完完成成计计算算,画画出出流流水水线线时时
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