重叠、流水与向量处理机 课件.ppt

第五章 重叠、流水和向量处理机§1 重叠方式 一．重叠解释方式 1.一条指令的几个过程段 1）取指令： 根据PC（指令计数器）从M（存储器）取出指令送到IR（指令寄存器） 2）译码分析： 译出指令的操作性质，准备好所需数据 3）执行：将准备好的数按译出性质进行处理，主要涉及ALU（算术逻辑运算部件） 2. 对指令执行的几种方式 1）顺序执行 (传统机采用) 只有在前一条指令的各过程段全部完成后，才从存储器取出下一条指令 2) 仅两条指令重叠：第i条指令的执行与第i+1条的取指重叠。 3) 三条指令重叠：第i条指令的执行与第i+1条的译码及第i+2条的取指重叠。 3) 例子 当k=200，t取=3Δt，t译=4Δt，t执=5Δt，时，分别计算上述三种执行方式的时间。 顺序执行： 200×(3+4+5)=2400Δt 两条重叠： 3+200×4+(200-1)×5+5=1803Δt 三条重叠： 3+4+(200-2)×5+5+5=1007Δt 4 重叠方式需要解决的问题 1）对存储器的频繁访问 ① 有哪些访问：取指令、取操作数、存放执行结果, I/O通道访问. ② 希望存储器为多体结构，以适应多种访问源的需要。 ③ 当存储器为单体结构时，需要将访问源排队，先后顺序为： 取指令、取数据、I/O通道访问、存结果 2）应具有先行控制部件 ① 先行：在重叠操作中，当前一条指令在执行过程中就需要提前取出后面的指令进行相应处理，这种提前取出后继指令进行相应处理，称为先行。 2） 先行控制部件的主要内容 Ⅰ）先行地址站，包括先行指令地址站和先行操作数地址站； Ⅱ）先行指令站，用来存放多条指令； Ⅲ）先行操作数站，用来存放多个操作数； Ⅳ）先行地址形成部件，用来形成先行指令地址以及先行操作数地址； Ⅴ）先行操作数译码站，用来完成对多条指令的译码并保留译码输出状态。 3）也应具有后行部件 后行部件：对指令执行后的结果进行处理的器件，称后行部件。包括：①后行数地址站，提供后行数存放地址。②后行数站，存放运行的结果，并且，这些结果需送存储器。 二、相关问题 1 何谓相关：在重叠方式的指令执行过程中，由于发生了某种关联，使正在被解释的指令无法再继续下去的现象，称相关。 2 相关类型 1）从性质上分 ①指令相关：重新修改了正在被解释的指令 ②数相关：因等待前面指令执行的结果，使后面指令等待不能连续解释。 如：S=a/b+c LD R , A DIV R , B ADD R , C；要等DIV结果 ST R , S；存结果 3 解决指令相关 1）尽可能避免指令相关 2）用分支程序代替被修改的指令 4.解决条件转移的全局相关 1）猜测法 ①按成功支路猜测：凡是条件转移指令都将成功支路指令提前取到指令站中，此时将不成功支路指令取到后援寄存器组。 ②按不成功支路猜测：做法与①正好相反。 2）分支预测： 允许CPU对分支以后的指令进行译码，如P6系列CPU中，取指/译码单元使用一种优化的分支预测算法，用来在多级分支、过程调用和返回时预测指令的流向。 如 计算 A=B﹡C if A＜0 GoTo n 在进行B﹡C之前，可先对SB⊕SC=？进行判断，决定流向。 3）尽可能作成短转移，短循环：使转去的指令都在指令站中。 4）增加指令站容量 （P6体系中称为指令池——重排序缓冲器，是一个按内容寻址的存储器阵列。可存放40个等待执行的微操作，执行单元能够以任意顺序执行重排序缓冲器中的指令。） 5 解决等待结果的数相关 1）推迟法：包括推迟译码分析，推迟执行。 适用范围宽，但不利于速度的提高。 2）相关专用通路法 当上一条的运算结果需作下一条的源操作数时，如： LD R，A ADD R，B SUB R，C 可建一个相关专用通路，比常规通路提前1τ获取源操作数。 §2流水方式 一、流水方式的出现 1 重叠方式的两种等待 1）等待译码 当ti译＞ti+1取时，即： 2）等待执行 ti执＞ti+1译时，即： 2 产生等待的原因重迭方式未按时间单位来划分过程段，比较粗糙。3 流水线上对各过程段进行时间匹配的办法。 1）将一条指令分为以Δt为单位的多个Δt过程段。如某指令用时5Δt，可分为5个过程