第22讲——第8章 cpu及结构和功能(8.3)

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1、计算机组成原理课程教案（第22次课）章节名称第8章CPU的结构和功能（8.3）课时安排第11周2学时授课方式理论课教学环境及教具准备有投影仪的教室PPT多媒体教学课件教学目的让学生全面理解和掌握指令流水线相关技术教学重点剖析指令流水原理，分析影响流水线性能的因素，计算流水线性能教学难点流水线3项性能指标的分析计算教学基本内容是否重、难点方法及手段l8.3指令流水l8.3.1指令流水原理l8.3.2影响流水线性能的因素l8.3.3流水线性能l8.3.4流水线中的多发技术l8.3.5流水线结构重点重点重点&难点了解了解多媒体讲解多

2、媒体讲解举例讲解多媒体讲解多媒体讲解教学过程与设计复习旧课：一次间接寻址的加运算指令的指令周期过程？引入新课：提高CPU的处理速度有哪些主要措施？8.3指令流水8.3.1如何提高机器速度为了进一步提高处理机速度，通常可以从提高器件的性能和改进系统的结构，开发系统的并行性两方面入手。l提高器件的性能l改进系统的结构，开发系统的并行性8.3.2系统的并行性（1）并行性的两种含义l同时性：两个或以上事件在同一时刻发生。如多机系统中，同一时刻多个进程在运行。l并发行：两个或以上事件在同一间隔内发生。如并发程序，某一时刻CPU中只有一个

3、进程在运行，而在一个时间段内，多个进程同时运行。（2）并行性的等级l过程级（作业级或程序级、任务级或进程级）：粗粒度，软件实现。l粗粒度并行在“计算机体系结构”课中学习。l指令级（指令之间级、指令内部级）：细粒度，硬件实现。l细粒度并行涉及的重要技术就是指令的流水作业。（3）并行性的三种形式l时间并行：即使用流水处理部件，时间重叠。l空间并行：设置重复资源，同时工作。l时间并行＋空间并行：时间重叠和资源重复的综合应用。8.3.3指令流水原理（1）指令的串行执行l取指令由取指令部件完成l执行指令由执行指令部件完成l总有一个部件空

4、闲动画演示P346页图8.13指令的串行执行。（2）指令的二级流水l指令预取l取指和执行阶段时间上完全重叠l指令周期减半，速度提高1倍动画演示P347页图8.14指令的二级流水。（3）影响指令流水效率加倍的因素l执行时间>取指时间l条件转移指令指令流水的影响l解决办法？猜测法？（4）指令的六级流水指令六级流水时序如P348页图8.15。l完成一条指令由6个时间单位负责l串行执行：6×9＝54时间单位l六级流水：只需14个时间单位8.3.4影响流水线性能的因素（1）资源相关（结构相关）l指多条指令进入流水线后在同一机器时钟周期内

5、争用同一个功能部件所发生的冲突。l解决方法：指令推迟执行，或是设置重复资源。如指令存储器和数据存储器分开、指令预取等P348图8.15指令六级流水中的结构相关问题分析。问题6：什么叫流水线的相关？（2）数据相关l几条相近的指令间，共用同一存储单元或同一寄存器时，会出现数据相关。l或在一个程序中，如果必须等前一条指令执行完毕后，才能执行后一条指令，这两条指令就是数据相关。l解决方法：定向传送技术（旁路技术）。动画演示P352图8.16带有旁路技术的ALU部件解决数据相关问题。（3）控制相关l当执行转移指令时，根据转移条件是否发生

6、来控制指令的执行顺序。l转移指令约占总指令的1/4左右，比数据相关使流水线丧失更多的性能，因其破坏流水线的连续流动。l解决方法：尽早判断转移是否发生、尽早生成转移目标地址、预取转移成功或不成功两个控制流方向上的目标指令、延迟转移法、转移预测法。P352图8.17条件转移对指令流水操作的影响——控制相关问题分析。问题7：控制相关的解决办法？8.3.5流水线性能流水线性能通常用吞吐率、加速比和效率3项指标来衡量。（1）吞吐率l在指令级流水线中，吞吐率是指单位时间内流水线所完成指令或输出结果的数量。l吞吐率又有最大吞吐率和实际吞吐率

7、之分。l最大吞吐率是指流水线在连续流动达到稳定状态后获得的吞吐率。l实际吞吐率是指流水线完成n条指令的实际吞吐率。全国硕士研究生入学考试计算机组成原理试题分析：某CPU主频为1.03 GHz，采用4级指令流水线，每个流水段的执行需要1个时钟周期。假定CPU执行了100条指令，在其执行过程中，没有发生任何流水线阻塞，此时流水线的吞吐率为： A. 0.25×10^9条指令/秒   B. 0.97×10^9条指令/秒     C. 1.0×10^9条指令/秒              D. 1.03×10^9条指令/秒 答案：C软件

8、设计师考试题分析：某流水线由5段组成，第1、3、5段所需时间为△t，第2，3段所需时间分别为3△t、2△t，如下图所示，那么连续输入n条指令时其吞吐率（单位时间执行的指令个数）TP为：答案：B（2）加速比l流水线的加速比是指m段流水线的速度与等功能的非流水线的速度之比。FLA