计算机系统结构 第4章 标量流水线技术

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1、第4章标量流水线技术内容提要:本章首先简要介绍标量流水线的基本概念与工作原理，然后讲述流水线时空图与性能分析、流水线操作中的主要障碍、处理方法、非线性流水线的调度策略以及实现流水线的控制方式。重点是流水线的时空图、流水线性能分析以及流水线的实现与控制。难点是使用流水线的时空图、性能分析与非线性流水线的调度策略4.1概述4.2标量流水线工作原理4.3指令级流水线第4章标量流水线技术4.1概述4.1.1控制流及其改变4.1.2程序执行过程中的重叠操作与先行控制4.1.1控制流及其改变所谓控制流是指被

2、执行的指令序列的处理流，其地址由程序计数器PC给出，一条接着一条地执行。在一般情况下，PC的值是时间的单调函数，如图4.1（a）所示。但是当遇上转移类指令时，控制流将发生间断，转移到目标地址后又顺序执行，PC中的值如图4.1（b）所示。图4.1程序计数器PC与时间t的关系通常，改变程序顺序执行的因素有多种，常见的有以下4种。（1）转移指令转移指令可分为无条件转移和条件转移两种类型，且有多条，都是把转移目标地址送入程序计数器PC中，然后又顺序执行，如图4.1（b）所示。（2）过程调用与返回即执行被

3、调用的过程或子程序，其入口地址送入PC中；返回时，返回地址送入PC，另外还有嵌套和递归。（3）协同程序协同程序与过程调用程序有所不同，它是被调用过程未必从头开始执行，而是从上一次返回的位置开始，如图4.2所示。图4.2协同程序改变控制流（4）中断与自陷中断是由外部事件引起，自陷是由CPU的内部原因引起，CPU执行中断服务程序，执行完后返回原来被中断的程序。以上几种情况都改变PC中的值，使控制流发生改变。4.1.2程序执行过程中的重叠操作与先行控制在计算机运行的过程中，指令的解释方式可分为三种，

4、即:顺序、重叠、流水依据不同的解释方式，可以产生不同的工作方式和过程。下面仅介绍顺序解释方式和重叠解释方式，流水线方式将在第4.2节介绍。1.程序执行过程中的重叠操作图4.3顺序执行方式（1）顺序解释方式顺序解释是最简单的一种方式，是一条指令执行完后再去解释下一条指令。指令执行过程分为取指令、分析（译码）和执行三个阶段，顺序进行，其示意如图4.3所示。若取指令、分析和执行所用时间（周期）相等，设为t，则顺序解释执行n条指令所需时间T=3×n×t。如果各部分时间表示为t取指、t分析和t执行，则顺序

5、执行n条指令所用的时间为：T=∑(t取i+t分i+t执i)ni=1（4.1）（2）重叠解释方式是在两条相邻指令的解释过程中，存在某些时段可以重叠进行，其示意如图4.4所示。图4.4重叠执行方法图(a)是一次重叠方式，执行n条指令所用的时间为：T=(2n+1)t图(b)是二次重叠方式，执行n条指令所用的时间为：T=3t+(n-1)t=(n+2)t图4.5两阶段一次重叠工作方式为实现重叠解释方式，需要硬件支持，比如设置指令缓冲寄存器或称指令队列。又如程序与数据分别存储，以便分别迅速读取操作数。若指令

6、的解释过程可分为两个段，上述重叠解释过程可如图4.5所示。如果“分析”和“执行”的时间相同，那么解释执行n条指令的时间为：T=(n+1)t。2.先行控制在上述重叠解释方式中假设“分析”和“执行”的时间相等，但是实际的解释执行过程中，“分析”和“执行”的时间往往不相等，如图4.6(a)所示，这样解释执行n条指令的时间为：T=t分１＋∑［max(t分i，t执i-1)］+t执nni=2(4.2)图4.6分析与执行时间不相等和先行控制方式为解决重叠过程中的“空闲”，可采用先行控制技术，使“分析”和“执行

7、”分别连续进行，如图4.6（b）所示。这时，执行n条指令所需要的时间为：ni=1T先行=t分１＋∑t执i(4.3)为了实现“分析”和“执行”分别连续进行，8086微处理器把CPU分为总线接口部件和执行部件，且设置一个指令队列，可在执行第k条指令时由总线接口部件预取第k+1、k+2甚至k+2条指令。图4.7先行控制逻辑以上可见，先行控制技术实质上是预取处理技术和缓冲技术的结合，缓冲部件一般采用先进先出寄存器，其个数称为缓冲深度。先行控制逻辑如图4.7所示，其中缓冲区的深度一般应满足以下关系：D取指

8、栈≥D操作数≥D读栈≥D写栈4.2标量流水线工作原理4.2.1标量流水线工作原理4.2.2标量流水线分类4.2.3流水线性能分析4.2.4流水线中的主要障碍4.2.5流水线的实现与控制4.2.6流水线的动态调度4.2.1标量流水线工作原理1.标量流水线工作原理图4.8流水过程示意图如果能把指令的执行过程细分为五个部分，如图4.8所示。这五个部分由相应的硬件来实现，因此也称为五个子过程或状态，用Si表示。这样，前一条指令只要走出第一子过程，就可以读取下一条指令……。于是，构成标量流水线工作方式。设