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　　1、高级流水线技术 超长指令字 网工 1101班 朱旭宏 2011011317 张 旭 2011011316 张佳煜 2011011331 ? ? ? 成员介绍 其实 张佳煜 张旭 朱旭宏 成员介绍 二、流水线核心思想 三、工作机制 四、其优缺点 一、流水线介绍 主要内容 流水线）定义 流水线（ pipeline）技术是指在程序执行时多条指 令重叠做相关操作的一种准并行处理实现技术。流水线是 Intel首次在 486芯片中开始使用的。流水线的工作方式 就象工业生产上的装配流水线个不 同功能的电路单元组成一条指令处理流水线、由这些电路单元分别执行， 这样就能实现在一个 CPU时钟周期完成一条指令，因此 提高 CPU的运算速度。经典奔腾每条整数流水线都分为 四级流水，即指令预取、译码、执行、写回结果，浮点 流水又分为八级流水。 流水线） 产生背景 借鉴了工业流水线制造的思想，现代 CPU也采用 了流水线设计。在工业制造中采用流水线能大大的提升单位 时间的生产量；同样在 CPU中采用流水线设计也有助于 提高 CPU的频率。例如装配一辆汽车需要 4个步骤：冲 压、焊接、涂装、总装；同时对应地需要冲压、焊接、 涂装和总装四个工人。采用流水线的制造方式，同一时 刻四辆汽车在装配。如果不采用流水线，那么第一辆汽 车依

　　3、次经过上述四个步骤装配完成之后，下一辆汽车才 开始做装配，最早期的工业制造就是采用的这种原始 的方式。未采用流水线的原始制造方式，同一时刻只有 一辆汽车在装配。 流水线介绍 不久之后就发现，某个时段中一辆汽车在进行装配 时，其它三个工人处于闲置状态，显然这是对资源的极 大浪费！于是开始思考能有效利用资源的方法：在第一 辆汽车经过冲压进入焊接工序的时候，立刻开始做第 二辆汽车的冲压，而不是等到第一辆汽车经过全部四个 工序后才开始。之后的每一辆汽车都是在前一辆冲压完 毕后立刻进入冲压工序，这样在后续生产中就能确保 四个工人长期处在运作时的状态，不会造成人员的闲置。这 样的生产方式就好似流水川流不

　　4、息，因此被称为流水线） 计算机应用 CPU的工作也可以大致分为指令的获取、解码、 运算和结果的写入四个步骤，采用流水线设计之后，指 令（好比待装配的汽车）就可以连续不断地做处理。 在同一个较长的时间段内，显然拥有流水线设计的 CPU 可处理更多的指令。 流水线核心思想 超常指令字 （ 1）定义 超常指令字（ VLIW： VeryLongInstructionWord） 是由美国 Yale大学教授 Fisher提出的。它有点类似于超 级标量，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

　　5、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 于编译器需要仔细考虑数据相关性，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。 超常指令字 （ 2）工作机制 在一个基本时钟周期内能够分时发射多条指令的处 理机，一般流水线条及以上。超流水线处 理机采用多相的高频时钟。一台度为 m的超流水线处理 机的时钟 t只是基本时钟周期 t的 1/m。如果一条指 令的解释需要 K个 t，则共需 Kmt的时钟解释。让指 令之间错开一个 t的时间，重叠流水地工作，执

　　6、行完 N条指令的时间为： K+(N-1)/m t 当 N趋于无穷大时，并行度可达到最大值 m。 超长指令字 （ 3）优缺点 优点 把能并行执行的多条指令组装成一条很长的指令 设置多个功能部件 指令字被分割成一些字段，每个字段称为一个操 作槽，直接独立地控制一个功能部件。 超长指令字结构的处理器采用软件静态编译的方 法替代动态调度，由编译器完成在更大范围内的指 令调度，有效地降低了流水线的复杂度，使单芯片 上可以容纳更多的重复资源以同时处理多条指令。 超长指令字 （ 3）优缺点 缺点 程序代码长度增加了提高并行性而进行的大量的 循环展开。指令字中的操作槽并非总能填满。 采用了锁步机制任何一个操作部件出现停顿时， 整个处理机都要停顿。 机器代码的不兼容性 超长指令字 （ 4）应用 超长指令字 DSP面向 MP3、 PMP中的 SoC应用 台湾地区的研究人员已自主开发出了一种超长指令 字 (VLIW)DSP，适用于 MP3、 PMP及其它低功耗便携 产品中的 SoC。同时，他们也在致力于开发下一代多内 核、多线程架构，以处理高清编码或视频搜索之类的任 务。 谢谢！