计算机基础知识治疗mq.ppt

计算机系统结构; 第5章 流水线技术与向量处理技术;设计处理机的主要目标之一是提高处理机指令执行速度，通常有三条途径： ①提高CPU工作主频，目前依靠提高集成度来提高半导体器件主频几乎达到极限； ②采用更好的算法和功能部件。例如采用RISC，改进乘法、除法的算法等； ③采用指令并行技术，这是目前提高处理机性能的主要方法，其基本方法有3个，即流水线技术；超标量超流水线技术以及超长指令字技术。; 只有标量数据表达式和标量指令系统的处理机叫标量处理机， 具有向量数据???达式和向量指令系统的处理机叫向量处理机。 在标量处理机和向量处理机中广泛采用了流水线技术。 本章先以标量处理为基础介绍流水线技术原理和性能分析，以及实现中要解决的问题和方法，进而讲述先进的流水技术和向量处理机、向量流水线结构。 ;5.1 流水线基础 ; 本章要点;5.1 流水线基础;;1. 顺序执行方式：;2. 一次重叠执行方式;3. 二次重叠执行方式;指令的重叠执行对计算机组成提出什么要求;再次，还要求各个功能部件的运行速度大致相等，避免在重叠中的相互等待，如图5-3所示。这需要用到先行控制技术中的缓冲技术，以及依靠RISC技术的支持。 ;指令的重叠执行对计算机组成提出什么要求;RISC具有指令简单、规整，只有存(STORE)、取(LOAD)指令，几乎所有指令都在一个机器周期内完成，并注重编译的优化等特点，容易做到指令重叠运行时各个功能部件的运行时间相等，大大减少了重叠中功能部件的相互等待，为指令流水带来天然的支持。 此外，为了更好地发挥其在流水线中的效果，RISC处理机还采用了延时转移、指令取消、重叠寄存器窗口、指令流调整、硬件为主固件为辅等多种关键技术。 ;1. 延时转移技术;在转移指令后插入一条有效指令，如： 1 JMP NEXT2 2 ADD R1,R2 3 NEXT1: SUB R3,R4 …… n NEXT2: MOVE R4,A 指令序列的调整由编译器自动进行;;;若遇上数据相关，无法调整，则在转移指令后插入一条空操作指令： 1： MOVE R3, R2 2： CMP R3, R4 3： BEQ NEXT NOP 4： ADD R4, R5 …… n: NEXT: MOVE R4, A;2. 指令取消技术;2. 指令取消技术;;3. 重叠寄存器窗口技术;R31C;4. 指令流调整技术;5. 硬件为主固件为辅;5.1.3 先行控制（Look-ahead）技术;1. 先行控制方式的结构和工作过程;先行控制技术;（1）处理机结构;先行指令缓冲栈;;;先行操作栈;先行读数栈;后行写数栈;先行控制技术的核心是缓冲技术和预处理技术，以及二者的结合。通过对指令流和数据流的预处理和缓冲，使得指令分析和指令执行部件能够尽量独立工作。;例如，假定1个程序按指令顺序共有i+j+k+n+m+p +q+r条指令，设k=1，p=1。某一时刻，正在ALU中执行第k条指令，而k指令之前的最早的i条指令已全部完成（结果写入内存）；已通过运算后的j条指令正在后行数据栈中等待把结果写回主存；而k指令之后的n条指令，已经由指令分析器预处理完成，以RR*指令存放在先行操作栈之中，而且操作数也已经在先行读数栈之中；再往后的m条指令已经生成RR*指令在先行操作栈之中，而操作数尚未取到先行读数栈之中，再往后的第p条指令正在指令分析器之中进行分析和预处理，而p指令之后有q条指令已经从主存预取到先行指令缓冲栈之中，最后的r条指令中的第一条正准备从主存读取到CPU之中。 ;先行控制和一次重叠不同，前者可能有多条指令在重叠执行，不一定要求两条指令相邻；而后者则必须是相邻的指令之间的重叠。由于采用先行控制和缓冲技术使分析和执行部件能够分别连续不断地运行，避免由于功能部件操作速度差异而出现相互等待状态，使部件空闲状态减至最低 ;指令执行时序;;;;2. 缓冲深度的设计;静态分析法是从两个极端情况来进行分析的。 第1种极端情况：假定先行指令缓冲栈缓冲深度为Di，且已完全充满。此时在先行指令缓冲栈的输出端，提供给指令分析器的指令较简单，因而流出速度快；而在输入端，由于要访存取指令，指令流入速度慢。设平均每条指令分析的时间为t1，平均取一条指令的时间为t2。在先行指令缓冲栈从完全充满到全部被取空的过程中，若指令分析器一共分析了L1条，所花时间为L1·t1，