计算机组成原理第15讲流水线

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1、计算机组成原理PrinciplesofComputerOrganization广义双语教学课程http://211.64.192.109/skyclass25/青岛理工大学校级精品课程http://jx.qtech.edu.cn/ec/C84/1计算机组成原理设计性作业课题3组合逻辑控制单元设计用硬布线（组合逻辑）控制法设计一个简单模型机的控制单元CU（微操作信号产生电路）。假设该模型机有8条不同类型的指令。包括：算术运算、逻辑运算、移位、数据传送、访存操作、转移等。根据每条指令的功能和时序，分析其执行过程中需要在各个阶段产生的全部微操作，导出产生这些微操作控制信号的

2、逻辑。提示：需要决定指令周期包括哪几个机器周期，每个机器周期包括几拍，每拍包括几个时钟，以及时钟周期是多少nS。有些操作可能还需要规定是在时钟的上升沿或是在时钟的下降沿进行。第8周周末完成2第6章中央处理器Chapter6CentralProcessingUnitThedescriptionofthebasicoperationofaCPUofferedintheprevioussectiondescribesthesimplestformthataCPUcantake.ThistypeofCPU,usuallyreferredtoassubscalar,operat

3、esonandexecutesoneinstructionononeortwopiecesofdataatatime.ModelofasubscalarCPU.(5)3ThisprocessgivesrisetoaninherentinefficiencyinsubscalarCPUs.Sinceonlyoneinstructionisexecutedatatime,theentireCPUmustwaitforthatinstructiontocompletebeforeproceedingtothenextinstruction.Thisdesign,wherei

4、ntheCPU'sexecutionresourcescanoperateononlyoneinstructionatatime,canonlypossiblyreachscalarperformance(oneinstructionperclock).ModelofasubscalarCPU.However,theperformanceisnearlyalwayssubscalar(lessthanoneinstructionpercycle).4§6.5流水线工作原理指令的解释计算机的速度可以用每秒执行的指令条数来表示。为了加快单条指令的解释过程可采用的方法有：选

5、用更高速的器件减少解释过程所需拍数使解释过程的各个动作并行执行指令的解释可以有三种控制方式：顺序，重叠，流水。怎样加快一条指令的解释过程？51．顺序方式各条机器指令间顺序串行执行。一条指令执行完之后，才取下条指令来执行。指令内的各条微指令也是顺序串行执行的。例如，把解释一条机器指令分为：取指，分析，执行，3个子过程。取指k分析k执行k取指k+1分析k+1执行k+1取指k+1取指k+2……顺序方式的优点是控制简单。缺点是速度上不去，机器各部件的利用率不高。62．重叠方式Overlap在解释第k条指令的操作完成之前，就可开始解释第k+1条指令。例如，把解释一条机器指令分为

6、：取指，执行，两个子过程。取指k执行k执行k+1取指k+1取指k+2执行k+2重叠解释不能加快一条指令的实现，但能加快相邻两条指令以至一段程序的解释。重叠方式把一条指令的解释过程分解成“取指”，“执行”两个子过程。若每个子过程需Δt时间，一条指令需2Δt时间完成。机器每隔Δt时间完成一条指令的解释。吞吐率提高一倍。Δt7取指k执行k执行k+1取指k+1取指k+2执行k+2取指k+3执行k+3取指k执行k执行k+1取指k+1取指k+2执行k+2取指k+3执行k+3重叠方式与顺序方式的比较取指k执行k执行k+1取指k+1取指k+2执行k+2一次重叠理想情况实际情况？不同指

7、令在各个阶段所需时间不同83．流水方式Pipelining将一个重复的时序过程分解成为多个子过程Subprocess。每个子过程都可有效地在其专用功能段上与其它子过程同时执行。取指令指令译码取操作数执行入口出口例如，分成4个功能段Segment：Oneofthesimplestmethodsusedtoaccomplishincreasedparallelismistobeginthefirststepsofinstructionfetchinganddecodingbeforethepriorinstructionfinishesexecuting