目录
3.1流水线的基本概念
①流水线基本结构；时空图：会认、会画
②流水线的分类：单/多功能，静态/动态，线性/非线性（区别，相互之间的关系）
3.2流水线的性能指标（很重要）
①吞吐率、加速比、效率（各级执行时间相等/不相等时的计算，最大值的计算）3个性能指标相互的关系式
②流水线具体的分析应用：PPT上有例题，重点掌握（画时空图...流程）
③瓶颈问题：怎样消除瓶颈，各自的应用场合，效果如何
3.3流水线的相关与冲突
①经典的五段流水线，五个周期的划分，掌握主要指令在各个周期的操作
②相关：什么是相关，相关的主要类型
③流水线冲突：什么是冲突，冲突的主要类型，三种冲突产生的原因，重点掌握各类冲突的解决办法
3.4流水线的实现
①非线性流水线的调度：最优调度算法、采用最优调度后的性能分析
3.5向量处理机
①掌握向量处理和标量处理的区别
②掌握向量处理机的结构：存储器-存储器结构、寄存器-寄存器结构（重点，几种指令类型）
③提高向量处理机的方法：
④向量指令的三种组织方式：顺序执行，并行执行，链接执行（计算所需时间，p96 例3.3）
3.1流水线的基本概念
基本概念：
1）把一个重复的过程分解为若干个子过程，每个子过程由专门的功能部件来实现
2）把多个处理过程在时间上错开，依次通过各功能段
3）流水线的段数称为流水线的深度
①流水线基本结构；时空图：会认、会画
a.每个功能部件后面都有一个缓冲寄存器（锁存器）——>保存本流水段的执行结果
b.通过时间，排空时间
②流水线的分类：单/多功能，静态/动态，线性/非线性（区别，相互之间的关系）
1）部件级流水线（运算操作）
处理机级流水线（指令）
处理机间流水线（多处理机系统）
2）顺序流水线
乱序流水线（异步）
3）单功能流水线
多功能流水线
4）静态流水线（同一时间内，执行一种功能适合大量重复的工作）
动态流水线（控制复杂）
5）线性流水线（串行，无反馈回路）
非线性流水线（串行，有反馈回路，重复利用，调度问题）
6）标量处理机
向量流水处理机
3.2流水线的性能指标（很重要）
①吞吐率、加速比、效率（各级执行时间相等/不相等时的计算，最大值的计算）3个性能指标相互的关系式
a.吞吐率：在单位时间内流水线所完成的任务数量
（任务数/所花时间）
k段流水线中
时间相等：实际吞吐率
，最大吞吐率：
不相等：实际吞吐率
，
最大吞吐率：
b.加速比：完成同一批任务，不使用流水线所用时间比上使用流水线所用时间
k段流水线中
时间相等：加速比
，最大加速比：k
不相等：加速比
c.效率：流水线中的设备实际使用时间与整个运行时间的比值
k段流水线中
时间相等：效率
，各段效率相同，最高效率：1
不相等：
②流水线具体的分析应用：PPT上有例题，重点掌握（画时空图...流程）
③瓶颈问题：怎样消除瓶颈，各自的应用场合，效果如何
1）消除瓶颈：a.分割瓶颈部件的工作
b.重复设置瓶颈部件：控制逻辑比较复杂，所需硬件增加
两种方式在效果上是可以等效的。
3.3流水线的相关与冲突
①经典的五段流水线，五个周期的划分，掌握主要指令在各个周期的操作
②相关：什么是相关，相关的主要类型
相关的定义：指两条指令之间存在某种依赖关系
1）名相关：指令所访问的寄存器或存储器单元的名称（使用相同的名）
反相关：指令j写的名=指令i读的名
输出相关：指令j写的名=指令i写的名
2）数据相关：具有传递性，反映了数据的流动关系
a.数据的流动是经过寄存器，相关的检测比较直观
b.数据的流动是经过存储器时，检测比较复杂
3）控制相关：是指由分支指令引起的相关（程序执行顺序）
③流水线冲突：什么是冲突，冲突的主要类型，三种冲突产生的原因，重点掌握各类冲突的解决办法
冲突的定义：是指对于具体的流水线来说，由于相关的存在，使得指令流中的下一条指令不能在指定的时钟周期执行。
1）资源冲突（结构冲突）
硬件资源满足不了指令重叠执行的要求而发生的冲突。如果某种指令组合因为资源冲突而不能正常执行，则称该处理机有结构冲突
2）数据冲突
当指令在流水线中重叠执行时，因需要用到前面指令的执行结果而发生的冲突
3）控制冲突
分支指令和其他会改变PC值的指令所引起的冲突
什么是定向技术，定向技术解决了什么冲突，什么情况下单纯依靠定向技术解决不了冲突，解决不了又是怎么处理的（采用定向+暂停，暂停几拍根据具体情况分析）
指令的调度：软件静态调度，前提：在非按序流动方式（乱步流动）的流水线中。可能由此引起的另两种冲突：WAR，WAW
控制冲突：
目的：
1）在流水线中尽早判断出分支转移是否成功
2）尽早计算出分支目标地址
硬件解决：把分支指令提前到译码周期（ID阶段）完成
对于经典五段流水线无效，因为判断分支是否成功与分支目标地址计算是在同一流水段完成）、延迟分支技术
冲突的解决：
1）结构冲突：停顿（流水线气泡）
2）数据冲突：·定向传送技术
·定向传送与停顿相结合
·指令调度（依靠编译器）
前提：在乱序流动的流水线中
不足：可能会产生新的WAR或WAW冲突
3）控制冲突：·预测分支失败
·预测分支成功
·延迟转移技术
3.4流水线的实现
①非线性流水线的调度：最优调度算法、采用最优调度后的性能分析
一些概念：
1）启动距离：前一条指令输入开始到下一条指令输入为止的时间差
2）禁止启动距离：会引起冲突的启动距离
3）启动循环：在任何时间都不会发生冲突的启动距离
最优调度算法：1）根据预约表写出禁止向量F=（所有时段的禁止向量距离）
2）由禁止向量变换成初始冲突向量C=(CmCm-1...C2C1)m为禁止向量的最大值
若某启动距离为禁止距离，则为“1”，否则为“0”
3）根据初始冲突向量推算出全部冲突向量
4）画出表示冲突向量迁移的有向图
5）比较不同的调度法的平均时间间隔
3.5向量处理机
①掌握向量处理和标量处理的区别
向量处理：在流水处理机中，设置向量数据表示和相应的向量指令
标量处理：不具有向量数据表示和相应的向量指令的流水线处理机
②掌握向量处理机的结构：存储器-存储器结构、寄存器-寄存器结构（重点，几种指令类型）
向量处理机的结构：
1）标量流水部件：标量功能部件，标量寄存器
2）向量流水部件：向量功能部件，向量寄存器，向量控制器，向量存取部件
Vi冲突：并行工作的各向量指令的源向量或结果向量使用了相同的Vi
功能部件冲突：并行工作的各向量指令要使用同一个功能部件
③提高向量处理机的方法：
1）设置多个功能部件：这些部件能并行工作，各自按流水方式工作
2）链接技术（重点）：链接特性的实质（把流水线定向的思想引入到向量执行过程的结果）保证无向量寄存器使用冲突和无功能部件使用冲突。
3）分段开采技术：向量长度大于向量寄存器的长度
4）采用多处理系统
