第5章 流水和指令级高度并行的超级机.ppt

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1、第5章流水和指令级高度并行的超级机1．计算机组成设计的基本任务：加快机器语言的解释。2．从两方面实现：一方面，通过选用更高速的器件、采取更好的运算方法、提高指令内各微操作的并行程度、减少解释过程所需要的拍数等多项措施来加快每条机器指令的解释。第5章流水和指令级高度并行的超级机1．计算机组成设计的基本任务：加快机器语言的解释。2．从两方面实现：另一方面，通过控制机构采用同时解释两条、多条以至整段程序的控制方式来加快整个机器语言程序的解释。重叠和流水是其中常用的控制方式。5.1重叠方式5.1.1重叠原理和一次重叠1．指令的顺序解释方式：各条机器指令之

2、间顺序串行地执行，执行完一条指令后才取出下条指令来执行，而且每条机器指令内部的各个微操作也是顺序串行地执行。5.1重叠方式5.1.1重叠原理和一次重叠1．指令的顺序解释方式：解释一条机器指令的为操作归并成：取指令、分析、执行。如图5-1所示。取指令分析指令执行指令图5-1对一条机器指令的解释取指令：指按指令计数器的内容访问主存，取出该指令送到指令寄存器。5.1重叠方式5.1.1重叠原理和一次重叠1．指令的顺序解释方式：解释一条机器指令的为操作归并成：取指令、分析、执行。如图5-1所示。取指令分析指令执行指令图5-1对一条机器指令的解释分析指令：指

3、对指令的操作码进行译码，按寻址方式和地址字段形成操作数真地址，并用此真地址去取操作数（可能访存，也可能访寄存器），还要为准备取下条指令提前形成下条指令的地址等。5.1重叠方式5.1.1重叠原理和一次重叠1．指令的顺序解释方式：解释一条机器指令的为操作归并成：取指令、分析、执行。如图5-1所示。取指令分析指令执行指令图5-1对一条机器指令的解释执行指令：指对操作数进行运算、处理，或存储运算结果（可能要访主存）。5.1重叠方式5.1.1重叠原理和一次重叠1．指令的顺序解释方式：指令的顺序解释如图5.2（a）。取指k分析k执行k取指k+1分析k+1执行

4、k+1图5-2（a）指令的顺序解释顺序执行的优点：控制简单。缺点：速度上不去，机器各部件利用率低。所以，提出让不同机器指令的解释在时间上能重叠进行的重叠解释方式。5.1重叠方式5.1.1重叠原理和一次重叠2．指令的重叠解释方式：指令的重叠解释方式是中小型计算机及高档微型计算机组成中常用的一种控制方式，它使机器语言程序的执行速度比采用顺序解释方式的有较大提高。5.1重叠方式5.1.1重叠原理和一次重叠2．指令的重叠解释方式：取指k分析k执行k取指k+1分析k+1执行k+1取指k+2分析k+2执行k+2图5-2（b）指令的重叠解释的一种方式5.1重叠

5、方式5.1.1重叠原理和一次重叠取指k分析k执行k取指k+1分析k+1执行k+1取指k+2分析k+2执行k+23．重叠解释对计算机组成提出的要求一般机器，操作数和指令混合存储于同一主存体内，而且主存同时只能访问一个单元。访主存分析中取操作数也可能访主存5.1重叠方式5.1.1重叠原理和一次重叠取指k分析k执行k取指k+1分析k+1执行k+1取指k+2分析k+2执行k+23．重叠解释对计算机组成提出的要求所以要求在硬件上花费一定代价解决访主存的冲突。访主存分析中取操作数也可能访主存5.1重叠方式5.1.1重叠原理和一次重叠3．重叠解释对计算机组成提

6、出的要求在硬件上解决访主存冲突的方法：方法一：让操作数和指令分别存放于两个独立编址且可同时访问的存储器中。有利于实现指令的保护；但增加了主存总线控制的复杂性及软件设计的麻烦。5.1重叠方式5.1.1重叠原理和一次重叠3．重叠解释对计算机组成提出的要求在硬件上解决访主存冲突的方法：方法二：仍然维持指令和操作数混存，但采用多体交叉主存结构。解决有局限。5.1重叠方式5.1.1重叠原理和一次重叠3．重叠解释对计算机组成提出的要求在硬件上解决访主存冲突的方法：方法三：增设指令缓冲寄存器（指缓）。可以乘主存有空时，预先把下一条或下几条指令取出来放在指缓中，

7、这样“分析k”和“取指k+1”重叠。5.1重叠方式5.1.1重叠原理和一次重叠4．一次重叠解释方式由于从指缓中取指令，使得“取指k+1”时间很短，完全可以把这个微操作合并到“分析k+1”中，那么重叠变成了“分析k+1”和“执行k”的重叠。如图5-3。分析k执行k分析k+1执行k+1分析k+2执行k+2图5-3一次重叠工作方式5.1重叠方式5.1.1重叠原理和一次重叠4．一次重叠解释方式称这种指令分析部件和指令执行部件任何时候都只有相邻两条指令在重叠解释的方式为“一次重叠”。分析k执行k分析k+1执行k+1分析k+2执行k+2图5-3一次重叠工作方

8、式5.1重叠方式5.1.1重叠原理和一次重叠4．一次重叠解释方式为实现一次重叠要求：分析k执行k分析k+1执行k+1分析k+2执行k+2