计算机体系结构第3章.ppt

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 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 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 3.1 重叠执行和先行控制 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 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=(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 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。 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） 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。 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） 3.1 重叠执行和先行控制 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，插空从主存中预先把后面将 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发 取指令请求，不断地预取指令。 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 3.1 重叠执行和先行控制 先行程序计数器PC1：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 3.1 重叠执行和先行控制 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，用以平滑它们的工作。 预处理技术：预取指令、对指令进行加工以及预取操作数等。 采用先行控制方式的处理机结构 3.1 重叠执行和先行控制 3.1 重叠执行和先行控制 设置了4个缓冲站 （平滑主存、指令分析部件、运算器三者之间的工作） 先行指令缓冲站（前面已讲述） 先行操作站 先行读数站 后行写数站 共同特点：按先进先出的方式工作，而且都是由一组若 干个能快速访问的存储单元和相关的控制逻 辑组成。 3.1 重叠执行和先行控制 先行操作站 在指令分析部件和运算器之间提供缓冲 先行：因为其中的指令对于运算器正在执行的 指令来说是后续的，但却被先行取出并预处理。