中职计算机原理（主编瞿正刚等 北理工版）课件：模块四 典型微处理器.ppt

任务5 Pentium采用的新技术 4.5.1超标量执行 超标量这一技术术语在1987年就被提了出来。超标量计算机是为改善标量指令执行性能而设计的一种高性能的计算机，是高性能微处理器的标志之一。超标量是指那种拥有多条指令流水线，并在每个时钟周期中可执行一条以上的指令(在理想情况下)的微处理器处理指令的操作方式。所谓超标量执行，其实就是在微处理器的不同流水线中各自执行指令能力的表征。超标量微处理器，是一种配备多条相互独立的指令流水线的微处理器，几条指令以并行方式进行操作，每条流水线均由多个操作步骤组成，每条流水线内能容纳多条指令同时执行。 下一页 返回 任务5 Pentium采用的新技术 超标量流水线技术是Pentium微处理器的核心技术。在Pentium整数运算部件内配置的超标量执行机构允许两条指令以并行方式执行，它所采用的技术是把生成地址的硬件和算术逻辑部件配置成两条各自独立的整数流水线:一条叫U流水线，而另一条则被称为V流水线，如图4-11所示。再加上浮点流水线，这样Pentium就配备有3流水线，就意味着Pentium拥有了在每个时钟周期内可同时执行3条指令的能力。 程序在一条流水线中的执行顺序，并不是根据源程序顺序执行的。在流水线结构中配备有多个功能部件，每个功能部件的操作均以流水线的方式进行。 在整数运算部件内，双流水线操作技术可以使两条指令并行执行，使Pentium在每个时钟周期内可以同时执行两条指令。在整数流水线预取PF和首次译码D1操作步骤期间，CPU以并行方式取出两条简单指令并对之进行译码，然后再将这两条指令分别发送给U流水线和V流水线。 下一页 返回 上一页 图4-11超标量执行 返回 任务5 Pentium采用的新技术 对那些比较复杂的指令来说，CPU是在首次译码D1步骤期间生成控制U流水线和V流水线的微代码序列的。 为了有效解决两条并行操作的指令之间可能存在的资源相关问题，Pentium CPU采用了若干项技术给予一一解决。 4.5.2分支转移预侧技术 1.分支转移预测和推测执行技术 首先介绍两个术语:分支转移和分支转移预测。 (1)分支转移是程序的流动方向可能发生改变的地方。分支转移可以是无条件的分支转移，也可以是有条件的分支转移。无条件分支转移意味着程序的流动方向一定会改变;而条件分支转移则意味着程序的流动方向可能会改变，也可能不会改变，这要依赖于某些因素才可以确定。 (2)分支转移预测是用来决定一个具体分支转移操作是否起作用，即是否真的改变程序流程的一种“猜测”操作。 下一页 返回 上一页 任务5 Pentium采用的新技术 分支转移预测和推测执行是CPU动态执行技术中的精髓所在，动态执行是目前CPU主要采用的先进技术之一。 Pentium采用分支转移预测技术来动态预测转移指令的目标地址，有效地减少了由于出现转移而导致的流水线操作的效率损失，从而节省了Pentium的执行时间，也提高了Pentium的整体性能。在各种程序中不可避免地会包括各种类型的转移指令，在进行流水线操作时，这些转移指令的出现将会导致刚刚通过预取操作，从Cache中预取到预取部件中的指令或已经预译码的指令，由于出现转移而被作废的尴尬局面。 下一页 返回 上一页 任务5 Pentium采用的新技术 采用分支转移预测和动态推测执行的主要目的是为了提高CPU的运行速度。推测执行是建立在分支转移预测基础上的一项技术。推测执行是指允许CPU去处理那些不一定总能被执行的指令，例如，跳过条件的分支转移。在经分支转移预测程序预测判断之后，决定是否进行分支转移，接下来所要进行的处理就是推测执行。 由于程序中的条件分支转移是根据指令在流水线中处理后的结果进行的，所以当CPU等待指令处理后的结果时，流水线的前级电路也处于空闲状态等待着分支指令，这样必然出现计算机时钟周期的浪费。如果CPU能在前条指令结果出来之前就能预测到分支是否需要转移，那么就可以提前执行相应的指令，从而避免流水线的空闲等待状态，也就相应提高了CPU的运算速度。 下一页 返回 上一页 任务5 Pentium采用的新技术 Pentium微处理器采用分支预测逻辑来减少由于分支导致的时间消耗。由于微处理器在遇到分支转移指令(仅限于短转移或近转移)时，会在出现分支转移指令的地址处对转移后的指令进行预取，由此而减少了时间消耗。而且微处理器会把这些转移后的指令装入到指令缓冲存储器中，因而当执行到分支转移时指令时，后面的指令已经存在了，从而使分支转移操作在一个时钟周期内即可完成。由于分支转移预测的准确率在90%以上，因此出现延迟的现象也就较少出现。如果由于某种原因而出现了分支预测出错，那么分支转移就需要再增加3个时钟周期来执行。 2.分支转移预测判断 下一页 返回 上一页 任务5 Pentium采