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系统结构实验:流水线处理机
流水方式是把一个复杂的过程分解为若干个子过程,每个子过程可以与其它子过程同时
进行。由于这种工作方式与工厂中的生产流水线十分相似,因此,把它称为流水线工作方式。
1.1流水线的原理及基本思想
1.1.1流水的基本概念
流水可以看作是重叠的引申,一次重叠是一种简单的指令流水线。一次重叠是把一条指
令分解为“分析”和“执行”两个子过程,这两个子过程分别在执行分析部件和指令执行部
件中
完成。如图1-1-1所示。由于在指令分析部件和指令执行部件的输出端各有一个锁存器,
可以分别保存指令分析和指令执行的结果,因此,指令分析和指令执行部件可以完全独立并
行地工作,而不必等一条指令的“分析”、“执行”子过程都完成之后才送入下一条指令。分
析部件在完成一条指令“分析”并将结果送入指令执行部件的同时,就可以开始分析下一条
指令。
图1-1-1简单的流水
上图中如果指令分析部件分析一条指令所用的时间△t1与指令执行部件执行一条指令
所用的时间△t2相等,即△t1=△t2=△t,就一条指令的解释来看还是需要2△t,但是从机
器的输出来看,每过△t就有一条指令执行完成。因此,机器执行指令的速度提高了一倍。
如果把“分析”子过程再细分成“取指令”、“指令译码”和“取操作数”3个子过程,
并加快“执行”子过程,使4个子过程都能独立地工作,且经过的时间都是△t。如图1-1-2
(a)所示,则可以描述出流水的时空图如图1-1-2(b)。
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。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成
为“功能段”。
从时空图中,可以很清楚的看出各个任务在流水线的各段中的流动的过程。从横坐标方
向看,流水线中的各个功能部件逐个连续地完成自己的任务;从纵坐标看,在同一时间段内
有多个功能段在同时工作。
在上面的流水线中,对于“取指令”、“指令译码”、“取操作数”、“执行”每个子过程都
需要△t时间完成,这样,虽然完成一条指令所需的时间还是一个T,但是每隔一个△t(T/4)
时间就会一条指令结果输出,这样的执行效率比顺序方式提高了3倍。
图1-1-2流水处理
1.1.2流水线的特点
采用流水线方式的处理机与传统的顺序执行方式相比,具有如下特点:
1.流水线中处理的必须是连续的任务,只有连续不断地提供任务才能发挥流水线的效率。
流水线从开始启动到流出第一个结果需要一个“装入时间”,在这段时期内并没有流出任何结
果,所以,对第一条指令来说,和顺序执行没有区别。
2.在流水线每个功能部件的后面都要有一个缓冲寄存器,用于保存本段的执行结果,以
保证各部件之间速度匹配及各部件独立并行的运行。
3.流水线是把一个大的功能部件分解为多个独立的功能部件,并依靠多个功能部件并行
工作来缩短程序执行时间。流水线中各段的执行时间应尽量相等,否则将引起“堵塞”、“断
流”等。执行时间最长的一段将成为整个流水线的“瓶颈”,在流水线中应尽量解决“瓶颈”。
1.1.3相关处理
由于流水是同时解释多条指令,肯定会出现更多的相关。所谓相关是指在一段程序的相
近指令之间有某种关系,这种关系可能影响指令的重叠执行。通常,把相关分为两大类,一
类是数据相关,另一类是控制相关。数据相关主要有四种,分别是指令相关、主存操作数相
关、通用寄存器相关和变址相关。解决数据相关的方法通常有两种,一种是推后分析法,在
遇到数据相关时,推后本条指令的分析,直至所需要的数据写入到相关的存储单元中;另一
种方法是设置专用通路,即不必等所需要的数据写入到相关的存储单元中,而是经专门设置
的数据通路读取所需要的数据。
控制相关是指因为程序的执行方向可能改变而引起的相关。可能改变程序执行方向的指
令通常有无条件转移、一般条件转移、子程序调用、中断等。
1.2基于流水技术的模型计算机设计实验
1.2.1实验目的
在掌握RISC处理器构成的模型机实验基础上,进一步将其构成一台具有
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