第五章标量处理机(1).ppt

第五章 标量处理机 第五章 标量处理机 1．标量处理机：只有标量数据表示和标量指令系统的处理机称为标量处理机。标量处理机是一种最通用，也是使用最普遍的处理机。 2．标量处理机中提高指令执行速度的主要途径有： ①提高主频；②缩短CPI——设计更好的算法和功能部件；③指令级并行——主要方法，又可分为： a．流水线技术和超流水线技术； b．超标量技术 ； c．VLIW； 5.1 先行控制技术 5.2 流水线处理机 5.3 超标量与超流水处理机 5.1 先行控制技术 一、指令的重叠执行 设一条指令的执行分成三个阶段：取指、分析和执行，且每个阶段的执行时间都为n。则，可有下面的三种执行方式： 1．顺序执行 2．一次重叠 3．二次重叠 （如图5.2所示,p.254） 5.1 先行控制技术 5.1 先行控制技术 二、先行控制技术 上面的处理存在两个问题： 问题一： 在上面的讨论中有一个重要假设：每个阶段的执行时间都为n。如果不等，则有些阶段会出现空闲。 问题二： 主存访问冲突。例如，取指令k+1时，正在分析指令k，而分析指令k时可能也需要取操作数！ 要解决上述问题，必须采用先行控制技术。 先行控制技术的关键是缓冲技术和预处理技术。 1．采用先行控制技术的处理机结构 5.1 先行控制技术 2．四个先行缓冲栈 （1） 先行指令缓冲栈——缓冲主存和指令分析器 （2） 先行操作栈——存放经过指令分析器预处理后的指 令。这种预处理内容很多。 5.1 先行控制技术 例如将M型指令（如MOV AX，[0001]）转换为R型指令，具体过程如下： a)将主存地址0001通知先行读数栈，同时用先行读数栈的寄存器编号代替0001主存地址，预处理后的指令进入先行操作栈。 b)对于R型指令，不需任何处理，直接进入先行操作栈。 因此，先行操作栈在指令分析器和运算器之间提供缓冲。 （3）先行读数栈 （4）后行写数栈——如果指令有要写回主存的数据，先写到后行写数栈，指令继续执行。后行写数栈能在主存有空闲时，再写入主存。 5.1 先行控制技术 先行控制技术和和指令的重叠执行方式有不同：在指令分析器和运算器执行的两条指令可能不相邻！ 三、数据相关 相关：所谓相关（correlation）是指在一段程序的相近指令之间有某种关系，这种关系可能影响指令的重叠执行。通常，把相关分为两大类。 数据相关：在执行本条指令的过程中，如果用到的指令、操作数、变址偏移量等正好是前面指令的执行结果，则必须等待前面的指令执行完成，并把结果写到生存或通用寄存器中之后，本条指令才能开始执行，这种相关称为数据相关。 控制相关：控制相关是指由条件分支指令、转子程序指令、中断等引起的相关。 5.1 先行控制技术 解决数据相关的一般方法： ①推后分析法 ②设置专用路径 1．指令相关 例如： k: STORE R1, k+1 k+1: … 在流水线或采用先行控制技术的处理机中，指令相关严重影响效率。 解决方法：运行中不能修改指令。 2．主存操作数相关 例如：k: add [0001],ax k+1: mov bx, [0001] 5.1 先行控制技术 在现代计算机中，中间结果一般写入寄存器，所以该类相关发生不多。 解决方法：推后分析法。 5.1 先行控制技术 3．通用寄存器数据相关 例如：k: add ax ,bx k+1: mov cx, ax 在现代计算机中，该类相关发生很多。 解决方法：①推后分析法——降低运算速度为代价解决 寄存器相关 ②设置专用数据通路（如图5.15所示）。 4．变址相关 例如： k: ADD BX，AX k+1: MOV CX，[BX] 解决方法：推后分析法和设置专用数据通路 5.1 先行控制技术 5.1 先行控制技术 四、控制相关 控制相关是指因为程序的执行方向可能被改变而引起的相关。可能改变程序执行方向的指令通常有无条件转移、一般条件转移、复合条件转移、子程序调用、中断等。 有些资料上把上一节中介绍的数据相关称为局部相关，而把本节将要介绍的控制相关称为全局相关。这是因为数据相关影响到的仅仅是本条指令附近的少数几条指令，而控制相关影响的范围要大得多，它可能引起程序执行方向的改变。 无条件转移指令和一般条件转移指令可以在指令分析器就执行完成，不需要送入先行操作栈和指令执行部件