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计算机系统结构 第五章 标量处理机 第一章 基本概念 第二章 指令系统 第三章 存储系统 第四章 输入输出系统 第五章 标量处理机 第六章 向量处理机 第七章 互连网络 第八章 并行处理机 第九章 多处理机 标量处理机 具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 提高指令执行速度的主要途径 提高处理机的工作主频 采用更好的算法和设计更好的功能部件 采用指令级并行技术 三种指令级并行处理机 流水线（pipelining ）处理机超流水线（Superpipelining ）处理机 超标量（Superscalar）处理机 超长指令字(VLIW：Very Long Instruction Word)处理机 四个基本技术 先行控制技术 流水线技术 相关性分析技术 动态调度技术 本章主要内容 5.1 先行控制技术 5.2 流水线技术 5.3超标量与超流水线处理机 5.3.1超标量处理机 5.3.2 超流水线处理机 5.3.3 超标量超流水线处理机 5.1先行控制技术 先行控制(Lookahead)技术最早在IBM公司的STRETCH机器中采用。目前，许多处理机中都已经采用了先行控制技术 先行控制技术的关键是缓冲技术和预处理技术 本节主要内容 指令的重叠执行方式 先行控制方式的原理和结构 先行控制方式的处理机结构 先行控制方式的指令执行序列 先行缓冲栈 缓冲深度的设计方法 数据相关 控制相关 指令的重叠执行方式 1、顺序执行方式。 执行n条指令所用的时间为： 如果每段时间都为t，则执行n条指令所用的时间为： T＝3 n t 主要优点：控制简单，节省设备。 主要缺点：执行指令的速度慢，功能部件的利用率很低 指令的重叠执行方式 2、一次重叠执行方式 一种最简单的流水线方式 如果两个过程的时间相等，则执行n条指令的时间为： T＝（1＋2n）t 主要优点： 指令的执行时间缩短 功能部件的利用率明显提高 主要缺点： 需要增加一些硬件 控制过程稍复杂 指令的重叠执行方式 3、二次重叠执行方式 如果三过程的时间相等，执行n条指令的时间为： T＝(2＋n）t 在理想情况下，处理机中同时有三条指令在执行 处理机的结构要作比较大的改变，需要采用先行控制技术来实现 先行控制方式的原理 1、采用二次重叠执行方式，必须解决两个问题： 有独立的取指令部件、指令分析部件和指令执行部件 把一个集中的指令控制器，分解成三个独立的控制器：存储控制器、指令控制器、运算控制器 要解决访问主存储器的冲突问题 取指令、分析指令、执行指令都可能要访问存储器 2、解决访存冲突的方法： （1）指令和数据混合存放在同一个主存储器中，采用低位交叉存取方式 只有取指令、读操作数、写结果所访问的不是同一个存储体时，才可能实现指令重叠 这种方法不能根本解决冲突问题 (2)两个独立的存储器 独立的指令存储器和数据存储器 解决取指令和读操作数的冲突 如果再规定，执行指令所需要的操作数和执行结果只写到通用寄存器，而不是主存。则取指令、分析指令和执行指令就可以同时进行 在许多高性能处理机中，有独立的指令Cache和数据Cache。这种结构被称为哈佛结构 指令存储器和数据存储器分开的明显缺点：对程序员不透明 (3)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 缓冲技术是在工作速度不固定的两个功能部件之间设置缓冲栈，用以平滑它们的工作 在采用了缓冲技术和预处理技术之后，运算器能够专心于数据的运算，从而大幅度提高程序的执行速度 先行控制方式的处理机结构 1、三个独立的控制器： 存储控制器、指令控制器、运算控制器 2、四个缓冲栈： 先行指令缓冲栈、先行读数缓冲栈、先行操作栈、后行写数栈 四个缓冲栈合在一起称为先行缓冲栈 3、先行指令缓冲栈的组成 只要指令缓冲栈没有充满，就自动发出取指令的请求。 设置两个程序计数器： 先行程序计数器PC1，用来指示取指令， 现行程序计数器PC，记录指令分析器正在分析的指令地址 4、存在的主要问题 各类指令“分析”和“执行”所需的时间相差很大 存在数据相关 转移指令或转子程序指令 在本章的以下各节中，将分别介绍这三个问题的解决方法 先行控制方式的指令执行时序 设置了指令缓冲栈，取指令的时间就可以忽略不计 1、分析指令和执行指令时间不相等时的情况 2、采用先行缓冲栈的指令执行过程 先行读数栈 先行操作栈 后行写数栈 3、指令执行过程的时空图表示方法 理想情况下，指令执行部件应该一直忙碌 连续执行n条指令的时间为： 先行缓冲栈 设置先行缓冲栈的目的：使指令分析器和指令执