计算机系统结构第5章标量处理机.ppt

第五章 标量处理机;本章主要内容;标量处理机;5.1 先行控制技术;指令的重叠执行方式;指令的重叠执行方式;2.一次重叠执行方式 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。;3.二次重叠执行方式 如果三个过程的时间相等，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。 ;先行控制方式的原理;2.解决访存冲突的方法： (1)采用低位交叉存取方式： 这种方法不能根本解决冲突问题。 取指令、读操作数、写结果。 (2)主存分为两个独立的存储器：独立的指令存储器和数据存储器。 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，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。;(3)采用先行控制技术 采用先行控制技术的关键是缓冲技术和预处理技术。 缓冲技术通常用在工作速度不固定的两个功能部件之间。设置缓冲栈的目的是用来以平滑功能部件之间的工作速度。 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。;处理机结构;4.先行指令缓冲栈的组成 作用：只要指令缓冲栈没有充满，就自动发出取指令的请求。 指令分析器每分析完一条指令，自动向指令缓冲栈发出取下一条指令的请求，指令取出后就把先行指令缓冲栈中的指令作废。 分析指令速度和从主存取指令的速度是随机的，指令缓冲栈的指令数目是动态的。 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。;处理机结构（续）;处理机结构（续）;处理机结构（续）;指令执行时序;指令执行时序;先行缓冲栈;RI型指令，指令中的立即数送先行读数栈，用该先行读数栈的寄存器编号替换指令中的立即数部分，形成RR*指令送先行缓冲栈。 转移指令，一般在指令分析器中直接执行。 2.先行操作栈 处于指令分析器和运算控制器之间。 使指令分析器和运算器能够各自独立工作。 采用先进先出方式工作，由指令寄存器堆和控制逻辑组成。;3.先行读数栈 处于主存储器与运算器之间。 平滑运算器与主存储器的工作。 每个缓冲寄存器由地址寄存器、操作数寄存器和标志三部分组成。也可以把地址寄存器和操作数寄存器合为一个。 当收到从指令分析器中送来的有效地址时，就向主存申请读操作数。 读出的操作数存放在操作数寄存器中或覆盖掉地址寄存器中的地址。;4.后行写数栈 每个后行缓冲寄存器由地址寄存器、数据寄存器和标志三部分组成。 指令分析器遇到向主存写结果的指令时，把形成的有效地址送入后行写数栈的地址寄存器中，并用该地址寄存器的编号替换指令的目的地址部分，形成RR*指令送入先行操作栈。 当运算器执行这条RR*型写数指令时， 只要把写到主存的数据送到后行写数栈的数据寄存器中即可。;先行缓冲栈（续）;缓冲深度的设计方法;应该满足如下关系：L1 t1＝(LI－DI) t2 计算出缓冲深度为： 如果这种指令流的连续长度超过L1，则先行指令缓冲栈被取空，指令分析器没有指令可分析，被迫处于等待状态。缓冲栈失去作用。 (2)先行指令缓冲栈原来为空 输入端指令流入的速度最快，每次取指令的时间最短；设这种指令序列的最大长度为 L2，平均取一条这种指令的时间为 t2’；;输出端指令流出的速度最慢，指令分析器连续分析最难分析的指令；设平均分析一条指令的时间为 t1’。分析的指令条数是L2－DI条。 应该满足如下关系：(L2－DI) t1’＝LI t2’ 计算出缓冲深度为： 如果这种指令流的连续长度超过L2，先行指令缓冲栈被完全充满，失去缓冲作用。;2.设计举例 在一般处理机中连续执行短指令的概率大。 例：一个采用先行控制方式的处理机，指令分析器分析一条指令用一个周期，到主存储器中取一条指令装入先行指令缓冲栈平均用4个周期，如果这种指令的平均长度为9，即90％的指令是执行时间短的指令。 解：计算先行指令缓冲栈的缓冲深度为：;3.先行指令缓冲栈的工作时间关系 第1个周期，取走指令k+1，请求取指令。 第4个周期末尾，指令k+8取到先行指令缓冲栈。 第8个周期末尾，指令k+9取到先行指令缓冲栈。 第9个周期，分析指令k+9，先行指令缓冲栈空。 第10个周期，指令分析器等待。;4.其余缓冲栈的设计原则 一般有关系：DI≥DC≥DR≥DW 其中：DI是先行指令缓冲栈的缓冲深度， DC是先行操作栈的缓冲深度， DR是先行读数栈的缓冲深度，