计算机科学与技术专业毕业论

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1、1目录5第一章绪论目录目录1第一章绪论31.1现代RISC中的流水线技术31.1.1超流水线技术31.1.2超标量技术31.1.3流水技术在Pentium系列微处理器中的实现4第二章流水线基础72.1流水线概念72.1.1指令重叠72.1.2流水线82.1.3流水线的特点92.1.4流水线的分类102.2流水线的主要性能112.2.1吞吐率122.2.2加速比和效率12第三章指令流水线设计143.1流水线理想假设143.1.1一致的运算分量143.1.2重复的运算153.1.3独立的运算163.2指令流水线163.2.1指令流水线

2、设计173.2.2指令集体系结构的影响183.2.3流水线分级的考虑193.3流水线处理器设计203.3.1保持流水段均衡205第一章绪论3.3.2统一指令类型213.3.3减少流水线停顿25第四章流水线中各种相关及其处理264.1流水线中相关264.2资源相关264.3数据相关274.3.1指令相关274.3.2主存空间操作数相关284.3.3通用寄存器组相关284.4控制相关294.4.1猜测法304.4.2加快和提前形成条件码304.4.3采取转移延迟314.4.4加快短循环程序的处理31第五章中断处理与流水线调度335.1

3、中断处理335.2流水线调度33第六章总结与展望37参考文献385第一章绪论第一章绪论流水线技术是提高系统吞吐率的一项强大的实现技术，并且不需要大量重复设置硬件。20世界60年代早期的一些高端机器中第一次采用了流水线技术。第一个采用指令流水线的机器是IBM7030（又称作Stretch计算机）。后来的CDC6600同时采用了流水线和多功能部件。到了20世纪80年代，流水线技术成为RISC处理器设计方法中最基本的技术之一。RISC设计方法的大部分技术都直接或者间接以提高流水线性能为目标。从此以后，流水线技术也被有效地应用到CISC处

4、理器的设计中。Inteli486是IA32体系结构中的第一个流水线实现。Digital的VAX和Motorola的M68K的流水线版本在商业上也取得了成功。流水线技术是当前指令集处理器设计中广泛采用的技术。在这里我们将重点放在（标量）流水线处理器的设计。流水线处理器设计中的许多方法和技术，例如用于检测和化解相关的流水线互锁机制，都是标量处理器设计的基本方法。当前的趋势是朝着超深度流水线的方向发展。流水线的深度已经从不到10发展到超过20.深度流水是获得高速始终频率的必要条件，这是提高处理器性能的一个非常有效的方法。有迹象表明。这种

5、趋势还将持续下去。1.1现代RISC中的流水线技术1.1.1超流水线技术超流水线（SuperPipeline）技术是RISC采用的一种并行处理技术。他通过细化流水，增加级数和提高主频，使得在每个机器周期内能完成一个甚至两个浮点操作。其实质就是以时间换取空间。超流水机器的特征就是在所有的功能单元都才用流水，并有更高的时钟频率和更深的流水深度。1.1.2超标量技术5第一章绪论超标量（SuperScalar）技术是RISC采用的有一种处理技术。它通过内装多条流水线来同时执行多个处理。其实质就是以空间换取时间。流水线实现中的问题及解决:流

6、水线实现的一个问题是使流水线连续不断地流动，即不出现流断，才能获得高效率。断流的原因很多，除了编译生成的目标程序不能发挥流水结构的作用，或者存储系统不能及时供应连续流动所需的指令和操作数外，主要还与出现了相关、转移以及中断指令有关。解决局部性相关有两种方法：退后法和通路法；解决全局性相关有三种方法：猜测转移分支、加快和提前形成条件码、加快短循环程序处理。1.1.1流水技术在Pentium系列微处理器中的实现流水线技术早在Intel的X86芯片中均得到了实现。而Pentium系列CPU产品更是一个高级的超标量处理器。它是建筑在两个通

7、用的整型流水线和一个可流水作业的浮点单元上的，这使处理器能够同时执行两条整型指令。一个对软件透明的动态分支预测机制能够使分支的流水线阻塞达到最小化。奔腾处理器可以在一个时钟周期内完成两条指令，一个流水线完成一条指令。第一个逻辑管道称之为“U”管道，第二个称之为“V”管道。在任何一条给定的指令译码期间，它安排的后面两条指令将被检查。并且，如果有可能，第一条指令被安排到“U”管道执行，第二条指令被安排到“V”管道执行。如果不能，则第一条指令被安排到“U”管道执行，“V”管道中不安排指令运行。指令在两个管道中运行与它们顺序执行所产生的效

8、果是完全一样的。当发生管道阻塞时，后继的指令无法通过被阻塞的指令所在的任一管道中。具有MMX技术的奔腾处理器为整型流水线增加了一个额外的处理阶段。指令从代码的高速缓冲区中预取出来，被送入到“预取”(PF)阶段，并且在“提取”(F)阶段中进行指令的语