计算机系统结构 第五章 标量处理机

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1、第五章标量处理机6/12/2021本章主要内容5.1先行控制技术5.2流水线技术5.3相关性分析技术5.4超标量处理机5.5超流水线处理机5.6超标量超流水线处理机2标量处理机只有标量数据表示和标量指令系统的处理机称为标量处理机，是最常用最普通的处理机。设计处理机的主要任务就是缩短解释指令的时间，提高处理机指令的执行速度：提高处理机的工作主频。5、60年代主要采用这种技术，每3、4年处理机的速度要提高一个数量级。采用更好的算法和设计更好的功能部件，如采用RISC等。多条指令并行执行。指令级的并行技术。流

2、水线技术。处理机中设置多个独立的功能部件，如浮点运算器，定点运算器，访存部件等。超长指令技术。35.1先行控制技术先行控制技术的关键是采用缓冲技术和预处理技术，以及两者都采用，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工作并始终处于忙碌状态。5.1.1指令的重叠执行方式5.1.2先行控制方式的原理5.1.3处理机结构5.1.4指令执行序列5.1.5先行缓冲栈5.1.6缓冲深度的设计方法4指令的重叠执行方式一条指令的执行可以分为多个阶段，具体分法视处理机而定，一般可以分为三

3、个阶段：取指令是指按照指令计数器的内容访问主存，取出一条指令送到指令寄存器。分析指令是指对指令的操作码进行译码，按照给定的寻址方式和地址字段内容形成操作数地址，并用这个地址读出操作数，操作数可以在主存也可以在寄存器。执行指令是根据操作码的要求，完成指令规定的功能，把结果写到主存或者寄存器。指令分析或者指令执行阶段还得修改指令计数器的更新，为下一条指令作准备。5指令的重叠执行方式1.顺序执行方式执行n条指令所用的时间为：如果每段时间都为t，则执行n条指令所用的时间为：T＝3nt主要优点：控制简单，节省设备

4、。主要缺点：速度慢，功能部件的利用率低。62.一次重叠执行方式如果两个过程的时间相等，则执行n条指令的时间为：T＝(1+2n)t主要优点：指令的执行时间缩短，功能部件的利用率明显提高。主要缺点：需要增加一些硬件，控制过程稍复杂。指令的重叠执行方式(续)73.二次重叠执行方式如果三个过程的时间相等，执行n条指令的时间为：T＝(2＋n）t在理想情况下，处理机中同时有三条指令在执行。处理机的结构要作比较大的改变，需要采用先行控制技术。指令的重叠执行方式(续)8先行控制方式的原理1.采用二次重叠执行方式必须解决

5、两个问题：(1)有独立的取指令部件、指令分析部件和指令执行部件把一个集中的指令控制器，分解成三个独立的控制器：存储控制器、指令控制器、运算控制器。(2)要解决访问主存储器的冲突问题取指令、分析指令、执行指令都可能要访问存储器。92.解决访存冲突的方法：(1)采用低位交叉存取方式：这种方法不能根本解决冲突问题。取指令、读操作数、写结果。(2)主存分为两个独立的存储器：独立的指令存储器和数据存储器。如果再规定，执行指令所需要的操作数和执行结果只写到通用寄存器，则取指令、分析指令和执行指令就可以同时进行。在许

6、多高性能处理机中，有独立的指令Cache和数据Cache。这种结构被称为哈佛结构。先行控制方式的原理（续）10(3)采用先行控制技术采用先行控制技术的关键是缓冲技术和预处理技术。缓冲技术通常用在工作速度不固定的两个功能部件之间。设置缓冲栈的目的是用来以平滑功能部件之间的工作速度。在采用了缓冲技术和预处理技术之后，运算器能够专心于数据的运算，从而大幅度提高程序的执行速度。先行控制方式的原理（续）11处理机结构1.三个独立的控制器：存储控制器、指令控制器、运算控制器。2.四个缓冲栈：先行指令缓冲栈、先行读数

7、缓冲栈、先行操作栈、后行写数栈。3.处理机组成124.先行指令缓冲栈的组成作用：只要指令缓冲栈没有充满，就自动发出取指令的请求。指令分析器每分析完一条指令，自动向指令缓冲栈发出取下一条指令的请求，指令取出后就把先行指令缓冲栈中的指令作废。分析指令速度和从主存取指令的速度是随机的，指令缓冲栈的指令数目是动态的。设置两个程序计数器：先行程序计数器PC1，用来指示取指令，现行程序计数器PC，记录指令分析器正在分析的指令地址。处理机结构（续）13处理机结构（续）先行缓冲站的组成指令缓冲存储器堆，采用先进先出的方

8、式，保证指令的执行顺序不致混乱。14处理机结构（续）先行控制方式中的一次重叠执行重叠部分，无论谁先结束，都不能提前执行下一条指令，需要等待。无论任何时刻，在指令分析部件和指令执行部件内都只有相邻的两条指令重叠执行，处理机只需要设置一套指令分析部件，——指令控制器；一套指令执行部件，——运算控制器和运算器。控制方式简单。所需要时间为T=（1+n）t15处理机结构（续）5.存在的主要问题：计算机指令系统复杂，各类指令“分析”和“执行”的时间相差