《计算机系统结构》PPT课件

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1、第五章　标量处理机5.1先行控制技术5.2流水线处理机5.3超标量与超流水线处理机只有标量数据表示和标量指令系统的处理机称为标量处理机提高指令执行速度的主要途径：(1)提高处理机的工作主频(2)采用更好的算法和设计更好的功能部件(3)采用指令级并行技术三种指令级并行处理机：(1)流水线处理机和超流水线(Super-pipelining)处理机(2)超标量(Superscalar)处理机(3)超长指令字(VLIW:VeryLongInstructionWord)处理机5.1先行控制技术先行控制

2、技术的关键是缓冲技术和与处理技术。一条指令的执行过程可以分为多个阶段，如：取指分析执行可以有多种处理方式：5.1指令的重叠执行方式1、顺序执行方式执行n条指令所用的时间为：如果每段时间都为t，则执行n条指令所用的时间为：T=3nt取指令k分析k执行k取指令k+1分析k+1执行k+1主要优点：控制简单，节省设备。主要缺点：执行指令的速度慢，功能部件的利用率很低。2、一次重叠执行方式一种最简单的流水线方式如果两个过程的时间相等，则执行n条指令的时间为：T=(1+2n)t取指分析执行取指分析执行取指分析执

3、行主要优点：指令的执行时间缩短功能部件的利用率明显提高主要缺点：需要增加一些硬件控制过程稍复杂3、二次重叠执行方式如果三过程的时间相等，执行n条指令的时间为：T=(2+n)t理想情况下同时有三条指令在执行处理机的结构要作比较大的改变，必须采用先行控制方式取指k+2分析k+2执行k+2取指k+1分析k+1执行k+1取指k分析k执行k5.1.2先行控制方式的原理1、采用二次重叠执行方式，必须解决两个问题：(1)有独立的取指令部件、指令分析部件和指令执行部件独立的控制器：存储控制器、指令控制器、运算控

4、制器(2)要解决访问主存储器的冲突问题取指令、分析指令、执行指令都可能要访问存储器2、解决访存冲突的方法：(1)采用低位交叉存取方式：这种方法不能根本解决冲突问题。取指令、读操作数、写结果。(2)两个独立的存储器：独立的指令存储器和数据存储器。如果再规定，执行指令所需要的操作数和执行结果只写到通用寄存器，那么，取指令、分析指令和执行指令就可以同时进行。在许多高性能处理机中，有独立的指令Cache和数据Cache。这种结构被称为哈佛结构。(3)采用先行控制技术。先行控制技术的关键是缓冲技术和预处理技术

5、。缓冲技术是在工作速度不固定的两个功能部件之间设置缓冲栈，用以平滑它们的工作。在采用了缓冲技术和预处理技术之后，运算器能够专心于数据的运算，从而大幅度提高程序的执行速度。5.1.2.1处理机结构图5.35.4需要解决的三个问题：（1）指令不同，执行与分析相互等待（2）数据相关（3）转移指令5.1.2.2指令执行顺序Fig5.65.75.85.1.2.3先行缓冲栈Fig5.9先行指令缓冲栈用于平滑主存储器和指令分析器的工作。先行指令缓冲栈用于平滑分析与运算。先行读数栈用于平滑主存与运算器。后行写数栈用

6、于平滑主存与运算器。5.1.2.4缓冲深度的设计——各个缓冲栈中的缓冲寄存器个数的设置静态分析法一种极端另一种极端5.1.3数据相关（1）数据相关包括指令相关主存操作数相关通用寄存器相关变址相关（2）解决数据相关的途径：一、推后分析法二、设置专用路径5.1.4控制相关包括：无条件转移、一般条件转移、安全条件转移。解决方法：1、软件猜测法2、硬件猜测法3、两个先行指令缓冲栈5.2流水线处理机5.2.1流水线工作原理5.2.2流水线的分类5.2.3线性流水线的性能分析5.2.4非线性流水线的调度技术5.

7、2.5局部相关5.2.6全局相关处理机内部并行性空间并行性：设置多个独立的操作部件多操作部件处理机超标量处理机时间并行性：采用流水线技术。不增加或只增加少量硬件就能使运算速度提高几倍流水线处理机超流水线处理机5.2.1流水线工作原理1、简单流水线流水线的每一个阶段称为流水步、流水步骤、流水段、流水线阶段、流水功能段、功能段、流水级、流水节拍等。`分析器分析k+1流水锁存器执行部件执行k流水锁存器输入输出t1t2在每一个流水段的末尾或开头必须设置一个寄存器，称为流水寄存器、流水锁存器

8、、流水闸门寄存器等。会增加指令的执行时间。为了简化，在一般流水线中不画出流水锁存器。2、一种指令流水线取指形成操作数地址译码取操作数执行保存结果一般4至12个流水段，等于及大于8个流水段的称为超流水线处理机3、流水线的时空图一条简单流水线的时空图：分析k分析k+1分析k+2分析k+3执行k执行k+1执行k+2执行k+3时间空间0t1t2t3t4t5一个浮点加法器流水线的时空图(由求阶差、对阶、尾数加和规格化4个流水段组成)：ED1时间空间0t1t2t3t4t5ED2