第5章_重叠流水和向量处理机.ppt

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1、第5章重叠、流水和向量处理机计算机中的流水线是把一个重复的过程分解为若干个子过程，每个子过程与其他子过程并行进行。由于这种工作方式与工厂中的生产流水线十分相似，因此称为流水线技术。流水线技术是一种非常经济、对提高计算机的运算速度非常有效的技术。采用流水线技术只需增加少量硬件就能把计算机的运算速度提高几倍，因此，流水线技术成为计算机中普遍使用的一种并行处理技术。从本质上讲，流水线技术是一种时间并行技术。15.1重叠解释方式5.2流水方式5.3超标量、超流水处理机5.4向量流水处理机2本章重点：一次重叠方式中，各种相关的处理；流

2、水线的时空图和性能分析；流水局部性相关的处理，全局性相关的处理和对中断的处理；单功能非线性流水线的调度；向量处理方式。35.1重叠解释方式5.1.1基本思想和一次重叠解释一条指令可归纳为三部分：取指令、分析和执行图5.1对一条机器指令的解释取指令分析执行t指令的执行过程：取操作码、指令译码、形成操作数地址、取操作数、运算、存结果指令的解释有二种：顺序执行重叠执行4顺序解释：一条指令执行完后再取下一条指令。特点：控制简单，速度慢。重叠解释：一条指令执行完之前，就可开始解释下一条指令。特点：速度快。图5.2指令的顺序解释与重叠解

3、释5重叠操作中，取指访存和分析中取操作数访存可能出现访存冲突。解决的办法有三个：指令和操作数分别放在不同且可同时访问的存储器中。维持指令和操作数混存，采用多体交叉主存结构。采用先进先出的指令缓冲寄存器(指缓)，预取几条指令于指缓之中，此时，因取指时间很短，可与“分析”微操作合并。6一次重叠：指令分析部件和指令执行部件只有一套，任何时候只有相邻的两条指令重叠操作。（“分析”和“执行”所需时间要相同）特点：省硬件，简化控制。图5.3一次重叠工作方式如：即使“分析K+1”比“执行K”提前结束，“执行K+1”也不能紧接在“分析K+1

4、”之后与“执行K”重叠进行。7例如：条件转移指令执行，并成功转移到m单元。结论：条件转移指令成功时，重叠变为顺序执行，应少使用条件转移指令图5.4当第k条指令是条件转移时8相关：因程序相邻指令之间出现了关联，为防止出错它们不能同时解释。这种现象称发生了“相关”，有“数据相关”(即数相关)和“指令相关”。例1.数据相关。第K+1条指令的源操作数地址正好是第K条指令结果地址，顺序解释没问题，而重叠解释时，在“执行K”和“分析K+1”重叠时就出现问题。例2.指令相关。指令相关是因为机器指令允许修改引起的。如K：存功能通用寄存器，K

5、+1；（通用寄存器）—>（K+1）K+1：……K的执行结果“执行K”形成K+1条指令。因此重叠解释时“分析K+1”就是以前进入指缓的旧内容，出错。为防止出错，K和K+1指令就不能同时解释，称此时发生了“指令相关”。关于临近指令的某种关联问题95.1.2相关处理1.指令相关的处理可通过限定程序运行过程中不准修改指令来解决同时为了增加灵活性，IBM370采用”执行“指令“执行”指令的格式：操作码寄存器可修改指令地址被修改的指令以“执行”指令的操作数形式出现，将指令相关转成数相关。数据相关分为主存数据相关和通用寄存器组相关。图5.

6、5IBM370“执行”指令的执行在数据区，其内容作为指令102.主存空间数相关的处理主存空间数相关：相邻两条指令对同一主存单元先写后读的关联。处理方法：推后读。措施：写优先级高，读优先级低。如：CPU和通道可能同时发出访存要求，这时由存控部件在每个主存周期对各种访存申请进行排队。图5.6主存数相关的处理113.通用寄存器组相关的处理通用寄存器的作用不同既可用来存放操作数，又可用来存放操作数的基址或变址。所需微操作的时间也不同，有关处理方法也不同。图3用相关专用通路解决通用寄存器组的数相关图2“执行k”、“分析k+1”重叠时

7、，访问通用寄存器组的时间关系图1通用寄存器的内容何时使用若出现L1(k+1)=L3(k)或L2(k+1)=L3(k)则有数相关。(1)通用寄存器组数相关的处理处理方法：1.推后读2.设置“相关专用通路”。作用：重叠效率不下降，数据不出错。12(2)通用寄存器组基址值或变址相关的处理(以基址B为例，即B相关)设有效地址(Xd)+(B2)+d2由地址加法器形成。基址B2通过总线送入加法器，在时间上有时来不及，形成B相关。图1B一次相关与二次相关图2B一次、二次相关的推后处理图5.12B相关专用通路法13结论：相关：指令相关、操作

8、数相关。操作数相关有：主存操作数相关、通用寄存器组相关。通用寄存器组相关分为：通用寄存器组数相关、通用寄存器组基址和变址值相关。解决方法：推后分析或设置相关专用通路。145.2流水方式1.流水是重叠的引申的含义：一次重叠：把指令的解释分成两个子过程，同时解释两条指令。流水：把指令的解释分成