【计算机系统结构】指令级高度并行的超级计算机

📝本文介绍
本文将以三种处理机：超标量处理机，超长指令字处理机，超流水线处理机来简要介绍指令高度并行的超级计算机

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📕超标量处理机

📖概念

• 采用多指令流水线（度 = m）
• 配置多套功能部件，指令译码电路和多组总线。
• 适合求解稀疏向量，矩阵。
• 利用增加硬件资源来换取处理机性能。
• 采用的是空间并行性

  实际上，在图中表现出来就相当于有多个译码电路集成在一起，可以在同一时刻处理多条指令的译码

📖典型架构

• 多条指令流水线
• 先进的超标量处理机有：定点处理部件CPU，浮点处理部件FPU，图形加速部件GPU
• 大量的通用寄存器，两个一级高速Cache（可能为指令或数据）
• 超标量处理机的指令级并行度大于1

📖单发射与多发射

单发射处理机：

• 每个周期只取一条指令，译码一条指令，执行一条指令，写回一个结果。
• 取指和译码部件只有一套，但操作部件可以为一个多功能操作部件或多个独立单功能部件。
• 操作部件可以采用流水也可以不采用

例如：

多发射处理机

• 每个周期同时取多条指令、同时译码多条指令，同时执行多条指令，同时写回多个运算结果
• 需要多个取指，译码，写结果部件
• 设置多个指令执行部件，一般采用流水线结构
  如：
  
  

📖先行指令窗口

• 能够从指令Cache中预取多条指令
• 能够对窗口内的指令进行数据相关性分析和功能部件冲突的检测
• 窗口的大小：一般为2至8条指令

📘超长指令字处理机

📖概念

  VLIW (Very Long Instruction Word)是将水平型微码和超标量处理两者结合的结构

• 指令字长可达数百位，多个功能部件并发工作，共享大容量寄存器堆。
• 是一种单指令多操作码多数据的系统结构（SIMOMD）
• 简化了取指，译码。将多个操作组合成一条超长指令字，一次取指，译码（之后可以一多次执行）
  

📙超流水线处理机

📖概念

• 两种定义
  • 一个周期内能够分时发射多条指令的处理机称为超流水线处理机。
  • 指令流水线有8个或更多功能段的流水线处理机称为超流水线处理机。
• 通过各硬件部分充分重叠工作来提高处理机性能
• 采用时间并行性

📖执行时序

• 每隔1/n个时钟周期发射一条指令，流水线周期为1/n个时钟周期。（在一个始终周期内可以发射n条指令）
  

📖超标量超流水线处理机

概述

  把超标量与超流水线技术结合在一起，就成为超标量超流水线处理机

执行时序

  超标量超流水线处理机在一个时钟周期内分时发射指令n次，每次同时发射指令m条，每个时钟周期总共发射指令m × n条。