《计算机系统结构教学课件》概念总汇-第3章

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1、第3章流水线技术一次重叠执行方式把执行第k条指令与取第"1条指令同时进行。二次重叠执行方式为了进一步提高执行速度，可以增加指令重叠执行的程度。把取第£+1条指令提前到与分析第k条指令同时进行，把分析第知1条指令与执行第k条指令同时进行。哈佛结构程序空间和数据空间相互独立，因而具有独立的指令总线和数据总线的系统结构。先行控制技术缓冲技术和预处理技术的结合。缓冲技术在工作速度不固定的两个功能部件之间设置缓冲器，用以平滑它们的工作。预处理技术指预取指令、对指令进行加工以及预取操作数等。流水线技术将一个重复的时序

2、过程分解成为若干个子过程，而每一个子过程都对有效地在其专用功能段上与其他子过程同时执行。时侗）空（间）图用来描述流水线的工作，横坐标表示时间，纵坐标代表流水线的各段。流水线的深度流水线的段数。通过时间流水线中第一个任务流出结果所需的时间。单功能流水线只能完成一种固定功能的流水线。功能流水线流水线的各段可以进行不同的连接，从而使流水线在不同的时间，或者在同一时间完成不同的功能。TIASC的多功能流水线(a)分段(b)浮点连接输入r"*""*—n"~~*1—相乘累加输出2345678(c)定乘连接静态流水线在

3、同一吋I'可内，流水线的各段只能按同一种功能的连接方式工作。动态流水线在同一时间内，当某些段正在实现某种运算时，另一些段却在实现另一种运算。部件级流水线(运算操作流水线)把处理机的算术逻辑部件分段，以便为各种数据类型进行流水操作。处理机级流水线(指令流水线)把解释指令的过程按照流水方式处理。处理机间流水线(宏流水线)rti两个以上的处理机串行地对同一数据流进行处理，每个处理机完成一项任务。标量流水处理机不具有向量数据表示，仅对标量数据进行流水处理的处理机。向量流水处理机具有向量数据表示，并通过向量指令对向

4、量的各元素进行处理的流水处理机。线性流水线流水线的各段串行连接，没有反馈冋路。非线性流水线流水线屮除有串行连接的通路外，还有反馈冋路。非线性流水线的调度在非线性流水线中，确定什么时候向流水线引进新的任务，才能使该任务不会与先前进入流水线的任务发生冲突一一争用流水段。顺序流水线流水线输出端任务流出的顺序与输入端任务流入的顺序完全相同。每一个任务在流水线的各段中是一个跟着一个顺序流动的。乱序流水线流水线输出端任务流出的顺序与输入端任务流入的顺序可以不同，允许后进入流水线的任务先完成（从输出端流出）。又称为无序

5、流水线、错序流水线、异步流水线。吞吐率在单位时间内流水线所完成的任务数或输出结果的数量。最大吞吐率流水线在连续流动达到稳定状态后所得到的吞吐率。流水线的瓶颈流水线屮最慢的一段。消除瓶颈段的两种方法细分瓶颈段、重复设置瓶颈段加速比流水线的速度与等功能的非流水线的速度之比。效率流水线的设备利用率。排空时间流水线中最后一个任务通过流水线所需的时间。流水寄存器建立时间在触发写操作的时钟信号到达之前，寄存器输入必须保持稳定的时间。流水寄存器传输延迟时钟信号到达后到寄存器输出可用的时间。时钟偏移开销流水线中，吋钟到达

6、各流水寄存器的最大差值吋间（吋钟到达各流水寄存器的吋间不是完全相同）。相关指两条指令之间存在某种依赖关系。确定程序中指令之间存在什么样的相关，对于充分发挥流水线的效率有重要的意义。数据相关对于两条指令i（在前）和j（在后），如果下述条件Z—成立，则称指令j与指令i数据相关：（1）指令j使用指令i产生的结果；（2）指令j与指令k数据相关，而指令k又与指令i数据相关。名指指令所访问的寄存器或存储器单元的名称。名相关如果两条指令使用相同的名，但是它们之间并没有数据流动，则称这两条指令存在名相关。反相关如果指令丿

7、（在后）写的名与指令i（在前）读的名相同，则称指令i和丿•发生了反相关。反相关指令之间的执行顺序是必须严格遵守的，以保证i读的值是正确的。输岀相关如果指令丿（在后）和指令7（在前）写相同的名，则称指令，和丿•发生了输出相关。输出相关指令的执行顺序是不能颠倒的，以保证最后的结果是指令j写进去的。换名技术通过改变指令中操作数的名来消除名相关。寄存器换名对于寄存器操作数进行换名称为寄存器换名。这个过程既可以用编译器静态实现，也可以用硬件动态完成。控制相关由分支指令引起的相关。它需要根据分支指令的执行结果来确定后

8、续指令是否执行。流水线冲突指对于具体的流水线来说，由于相关的存在，使得指令流屮的下一条指令不能在指定的时钟周期执行。结构冲突因硬件资源满足不了指令重叠执行的要求而发生的冲突。数据冲突当相关的指令靠得足够近时，它们在流水线中的重叠执行或者重新排序会改变指令读/写操作数的顺序，使之不同于它们非流水实现时的顺序，则发生了数据冲突。控制冲突流水线遇到分支指令和其他会改变PC值的指令所引起的冲突。流水线气泡流水线中插入的暂停周期。定向技