微机原理与接口技术09.ppt

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1、第9章处理器性能提高技术9.1精简指令集计算机技术9.2指令流水线技术9.3浮点数据处理单元9.4多媒体指令9.1精简指令集计算机技术精简指令集计算机技术起源向量巨型机CRAY-I：精简指令、面向寄存器操作IBM801小型机：单周期固定格式指令、高速缓冲存储器以及编译技术相结合RISC-I：第一个精简指令集计算机处理器芯片在高档的工程工作站得到广泛应用最新开发的处理器普遍采用精简指令集计算机设计思想Simplebutelegant9.1.1复杂指令集和精简指令集复杂指令集计算机CISC指令系统丰富、程序设计方便、程序短小、执行性能高处理器硬件复

2、杂，不易使用先进的流水线技术，导致其执行速度和性能难以进一步提高精简指令集计算机RISC指令系统很简单，只有少数简单、常用的指令处理器硬件简单，比较方便地实现优化80%和20%规律处理器性能公式处理器执行时间＝IC×CPI×TIC＝程序的指令条数CPI＝执行每条指令所需的平均时钟周期数T＝每个时钟周期的时间（时钟频率的倒数）处理器执行程序时间越少，计算机性能越高减少时钟周期时间T，即提高时钟频率CISC通过使用复杂指令减少ICRISC使用简单指令减少CPI相互借鉴、共同提高9.1.2RISC技术的主要特点指令条数较少寻址方式简单面向寄存器操作指

3、令格式规整单周期执行先进的流水线技术编译器优化……Load-Store结构9.2指令流水线技术洗衣房的流水作业三个阶段：1.水洗(30)2.烘干(40)3.熨烫(20)ABCD6PM789任务顺序时间3040404040209.2.1指令流水线取指执行取指译码执行取指译码地址执行回写S1S2S3S4S5指令读取指令译码地址计算指令执行结果回写1.流水线思想指令流水线技术：把执行指令这个过程分解成多个子过程，执行指令的功能单元也设计成多个相应的处理单元，多个子过程在多个处理单元并行操作，同时处理多条指令没有减少每个指令的执行时间有助于减少整个程序

4、（多条指令）的执行时间指令流水线开始需要“填充时间（Fill）”，最后有一个“排空时间（Drain）”要发挥流水线效率需要连续不断地处理指令不要断流时空图指令流水线的时空图返回执行N条指令串行顺序执行方式：5N理想的流水线操作：N＋42.流水线中的指令相关指令相关：指令之间存在相互依赖关系常使下一条指令无法在设计的单位时间内执行导致流水线的“断流”，性能降低有三种类型的指令相关资源冲突：当指令重叠执行过程中，硬件资源满足不了指令重叠执行的要求数据相关：在同时执行的多条指令中，一条指令依赖前一条指令的执行结果(数据)无法得到控制相关：流水线遇到分

5、支指令或其他改变PC值的指令数据旁路分支预测预取分支目标9.2.280486的指令流水线5级指令流水线，每级1个时钟周期PF指令预取（prefetch）D1指令译码1（decodestage1）对所有操作码和寻址方式信息进行译码D2指令译码2（decodestage2）将操作码扩展为ALU控制信号，存储器地址计算EX指令执行（execute）完成ALU操作和Cache存取WB回写（writeback）更新在EX步骤得到的寄存器数据和状态标志数据旁路（直通）MOVreg1,mem1ADDreg1,reg2MOVmem

6、2,reg1数据相关流水线停顿MOVreg1,mem1ADDreg2,[reg1]数据相关停顿预取分支目标CMPreg,immJCtarget……target：结构相关目标指令预取9.3浮点数据处理单元传统的处理器或简单的微控制器只有整数处理单元有些实数经过移动小数点位置，可以用整数编码表达和处理，但可能要损失精度实数经过一定格式转换后，完全用整数指令仿真，但处理速度难尽人意计算机表达实数要采用浮点数据格式x87FPU（Floating-PointUnit）Intel80x87浮点协处理器与80x86处理器配合80486及以后的IA-32处理器

7、集成浮点处理单元9.3.1实数编码实数（RealNumber）的科学表示法表达-123.456＝-1.23456×102包括三个部分指数：反映数据的大小或量级有效数字：反映数据的精度符号位：表达数据的正负实数是一个连续系统，理论上可以表示任意大小与精度的数据计算机表达实数的浮点格式采用科学表达法，精度和大小有限，表达的数值离散，只是实数系统的一个子集1.浮点数据格式符号（Sign）表示数据的正负在最高有效位（MSB）负数＝1，正数＝0指数（Exponent）＝阶码表示数据以2为底的幂恒为整数，使用偏移码表达有效数字（Significand）表示

8、数据的有效数字，反映数据的精度一般采用规格化形式，是一个纯小数尾数（Mantissa）、小数或分数（Fraction）MSB有效数字指数符号示意图浮点