吉林大学计算机体系结构第3章.ppt

《吉林大学计算机体系结构第3章.ppt》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。

1、第3章流水线技术3.1重叠执行和先行控制3.2流水线的基本概念3.3流水线的性能指标3.4流水线的相关与冲突3.5流水线的实现3.6向量处理机设计处理机的主要目标之一是提高处理机指令执行速度，通常有三条途径：①提高CPU工作主频，目前依靠提高集成度来提高半导体器件主频几乎达到极限；②采用更好的算法和功能部件。例如采用RISC，改进乘法、除法的算法等；③采用指令并行技术，这是目前提高处理机性能的主要方法，其基本方法有3个，即流水线技术；超标量超流水线技术以及超长指令字技术。只有标量数据表达式和标量指令系统的处理机叫标量处理机。具有向量数据表达

2、式和向量指令系统的处理机叫向量处理机。在标量处理机和向量处理机中广泛采用了流水线技术。本章主要介绍流水线技术原理和性能分析，以及实现中要解决的问题和方法，进而讲述先进的流水技术和向量处理机、向量流水线结构。将一条指令的执行过程分为三个阶段3.1重叠执行和先行控制3.1.1重叠执行一条指令的执行过程3.1重叠执行和先行控制取指令按照指令计数器PC的内容访问主存，取出一条指令送到指令寄存器。指令分析对指令的操作码进行译码，按照给定的寻址方式和地址字段形成操作数的地址，并用这个地址读取操作数。指令执行按照操作码的要求，完成指令规定的功能。在指令的

3、执行过程中还要更新PC值，为读取下一条指令做好准备。3.1重叠执行和先行控制指令的三种执行方式顺序执行方式一次重叠执行方式二次重叠执行方式3.1重叠执行和先行控制执行n条指令所花的时间顺序执行方式指令的执行过程如果取指令、指令分析和指令执行的时间相等，都是t，则T=3nt优点控制简单，节省设备。主要缺点处理机执行指令的速度慢功能部件的利用率很低3.1重叠执行和先行控制一次重叠执行方式指令的执行过程执行第k条指令与取第k+l条指令同时进行。（一种最简单的重叠方式）3.1重叠执行和先行控制如果执行一条指令的3个阶段的时间相等，都是t，则执行n条

4、指令所花的时间为T=(1+2n)t优点程序的执行时间减少了近1/3。功能部件的利用率明显提高。缺点需要增加一些硬件，控制过程变复杂了。3.1重叠执行和先行控制二次重叠执行方式指令的执行过程取第k+l条指令提前到与分析第k条指令同时进行，分析第k+l条指令与执行第k条指令同时进行。3.1重叠执行和先行控制如果执行一条指令的3个阶段的时间相等，都是t，则执行n条指令所花的时间为T=(2+n)t优点与顺序执行方式相比，执行时间缩短了近2/3。部件的利用率有了进一步的提高。缺点需要增加更多的硬件。需要设置独立的取指令部件、指令分析部件和指令执行部件

5、。3.1重叠执行和先行控制访问主存的冲突问题4种解决方法:设置两个独立编址的存储器：指令存储器（存放指令）、数据存储器（存放数据）,CPU可分别独立访问.指令和数据仍然混合存放在同一个主存中，但设置两个Cache：指令Cache、数据Cache程序空间和数据空间相互独立的系统结构被称为哈佛结构。3.1重叠执行和先行控制3.1重叠执行和先行控制指令和数据仍然混合存放在同一个主存中，但主存采用多体交叉结构。（有一定的局限性）在主存和指令分析部件之间增设指令缓冲站（又被称为先行指令缓冲站）主存不是满负荷工作的(有些结果存到通用寄存器），插空从主存

6、中预先把后面将要执行的指令取出来，存放到指令缓冲站中。在“取指令”阶段从指令缓冲站读取指令（如果指令缓冲站不为空），而不用去访问主存。3.1重叠执行和先行控制先行指令缓冲站先行指令缓冲站的组成3.1重叠执行和先行控制指令缓冲存储区和相应的控制逻辑按队列方式工作。只要指令缓冲站不满，它就自动地向主存控制器取指令请求，不断地预取指令。3.1重叠执行和先行控制指令分析部件每分析完一条指令，就自动向指令缓冲站发出取下一条指令的请求。指令取出之后就把指令缓冲站中的该指令作废。指令缓冲站中存放的指令的条数是动态变化的。两个程序计数器先行程序计数器PC1

7、：用于从主存预取指令；现行程序计数器PC：用来记录指令分析部件当前正在分析的指令的地址。先行控制方式中的一次重叠执行若取指令阶段的时间很短，可以把这个操作合并到分析指令中。上述的二次重叠就演变成了一次重叠把一条指令的执行过程分为分析和执行两个阶段；让前一条指令的执行与后一条指令的分析重叠进行。3.1重叠执行和先行控制如果指令分析和指令执行所需要的时间都是t，则采用这种方式连续执行n条指令所需要的时间为：T=(1+n)t控制方式比较简单，得到了广泛应用。3.1重叠执行和先行控制当指令分析和指令执行所需要的时间不相等时，其执行过程为：指令分析部

8、件和指令执行部件存在相互等待的时候，会出现部件空闲的情况。3.1重叠执行和先行控制先行控制技术：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，