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第四章 流水线结构;内容简介;8-4 新型计算机系统结构 8-3 多处理机 8-2 向量处理机 8-1 流水线技术;流水线技术;8-1-1 先行控制技术; 取指令阶段：按照指令计数器的内容访问主存储器，取出一条指令送到指令寄存器。 分析指令阶段：对指令的操作码进行译码后，按照给定的寻址方式和地址字段中的内容形成操作数的地址，并用这个地址读取操作数，操作数可能在主存储器或寄存器中。 指令阶段：是指根据操作码的要求，完成指令规定的功能，在此期间，要把运算结果写到寄存器或主存储器中。 ;指令的几种执行方式 ; 假设取指令、分析指令和执行指令的时间都相等，每段的时间都为t，执行一条指令的时间为T1，则T1=t取指令+t分析指令+t执行指令=3t， （1）顺序执行方式 如图8－2（a）所示，采用顺序执行方式执行n条指令所用时间为： Tn=3t×n=3nt （2）一次重叠执行方式 如图8－2（b）图所示。这是一种最简单的重叠方式，把执行第k条指令与取第k十1条指令同时进行。则执行n条指令所用的时间为： Tn=3×t+2t×（n-1）=（1+2n）t （3）二次重叠执行方式。 如图8－2（c）所示，我们如果把取第k十1条指令提前到与分析第k条指令同时进行，那么，分析第k十l条指令会与执行第k条指令同时进行，则执行n条指令所用的时间为： T=3×t+t×（n-1）=（2+n）t ; 采用一次重叠执行方式，指令的执行时间缩短了近二分之—，而且各功能部件在并行工作，利用率明显提高。 采用二次重叠执行方式能够将指令的执行时间缩短近三分之二，进—步提高了指令的执行速度。但是处理机中同时在取指令、分析和执行指令，因此，要把顺序执行方式中的一个集中的指令控制器分解为三个相对独立的控制器来同时发出三种控制信号，它们是主存储控制器，指令控制器，运算控制器。另外，在指令分析或指令执行过程中都要访问主存储器取指令，存在解决访问主存储器的冲突问题。 现代计算机的指令系统非常复杂，我们前面假设的情况是一种理想状态，在实际当中，各种指令难以做到“分析”与“执行”时间始终相等，所以二次重叠执行方式是—种理想的指令执行方式。;2．先行控制技术 要解决二次重叠执行方式中存在的访问主存储器的冲突问题，方法有三种： 第一，把主存储器分成两个独立编址的存储器，一个专门存放指令，称为指令存储器，另一个专门存放操作数，称为数据存储器。两个存储器同时独立访问，解决了取指令和读操作数的冲突。 第二，指令和数据仍然混合存放在同一个主存作储器内，采用低位交叉存取方式。 第三，解决访问存储器冲突的根本办法是处理机结构作较大的改变，采用先行控制技术。 ; 先行控制的基本思想是使分析部件和执行部件能分别连续不断地分析和执行指令，这种技术实际上是预处理技术和缓冲技术的结合，即通过对指令流和数据流的预处理和缓冲，能够尽量使指令分析器和指令执行部件独立地工作，并始终处于忙碌状态。这样，就能够使取指令、分析指令和执行指令重叠起来执行。使指令分析器和执行部件能尽量地连续工作。而且，在采用了缓冲技术和预处理技术之后，运算器能够专心干数据的运算、从而大幅度提高指令的执行速度。在正常情况下，处理机中同时有三条指令在执行。 先行控制技术最早在IBM公司研制的机器中采用。目前，先行控制技术是现代计算机系统中被普遍采用的一项重要技术，许多处理机中都已经采用了这种技术，包括超流水线处理机和超标量处理机等。 ;8-1-2 流水线;1．流水线工作原理 根据上面的重叠技术和先行控制技术,进一步发展应用就是标量流水技术。假如把一条指令的解释过程进一步细分成取指、译码、执行、访存、写回寄存器五个子过程，并用五个独立的功能部件分别处理每个子过程。那么就像工厂中的流水线，五个子部件可以同时对不同的五条指令中的相对应的子过程进行操作。 在流水技术中有如下一些特点： （1）一条流水线由多个流水段组成。 （2）每个流水段有专门的功能部件对指令进行某种加工。 （3）各流水段所需时间是一样的。 （4）在理想情况下，在流水线上，每隔Δt时间将会有一个结果流出流水线。 ; 描述流水线常用的方法是用“时空图”。在时空图中，横坐标表示时间，也就是输入到流水线中的各个任务在流水线中所经过的时间。当流水线中的各个功能部件的执行时间都相等时、横坐标被分割成相等长度的时间段，纵坐标表示空间，即流水线的各个子过程。在时空图中，流水线的一个子过程通常称为“功能段”。前面的例子用时空图描述如图8-3所示。 ;2．流水线的分类 从不同的角度，按照不同的观点．可以把流水线分成多种不同的种类。从名称上能反映这种流水线在某一方面的特点或性能。 （1）按