《计算机系统结构》课程讲义教案第5章标量处理机

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1、第五章标量处理机•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。•提高指令执行速度的主要途径：(1)提高处理机的工作主频(2)釆用更好的算法和设计更好的功能部件(3)釆用指令级并行技术三种指令级并行处理机：(1)流水线处理机和超流水线(Superpipelining)处理机(2)超标量(Superscalar)处理机(3)超长指令字(VLIW：VeryLongInstructionWord)处理机三种基本技术(1)先行控制技术(2)流水线技术(3)相关性分析技术(4)动态调度技术本章主要内容：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动态调度技术5.5超标量

2、处理机5.6超流水线处理机5.7超标量超流水线处理机5・1先行控制技术先行控制(Lookahead)技术最早在IBM公司的STRETCH机器屮采用。先行控制技术的关键是缓冲技术和预处理技术。FI前，许多处理机中都已经采用了先行控制技术。主要内容：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先行控制方式的处理机结构5.1.4先行控制方式的指令执行序列5.1.5先行缓冲栈5.1.6缓冲深度的设计方法5.1.1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:11T=工(t取指令i+1分析i+1执行i)i=l如果每段时间都为t,则执行n条指令所用的时间为

3、:T=3nt取指令k分析k执行k取指令k+1分析k+1执行k+1顺序执行方式•主要优点：控制简单，节省设备。•主要缺点：执行指令的速度慢。功能部件的利用率很低。2、一次重叠执行方式。一种最简单的流水线方式。•如果两个过程的时间相等，则执行n条指令的时间为:T=(l+2n)t取指令k分析k执行k取指令分析k+1执行k+1取指令分析k+2执行k+2一次重叠执行方式•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，控制过程要复杂些。3、二次重叠执行方式。如果三过程的时间相等，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

4、。处理机的结构要作比较大的改变，必须采用先行控制方式。取指令k分析k执行k取指令k+1分析k+1执行k+1取指令k+2分析k+2执行k+2二次重叠执行方式5.1.2先行控制方式的原理1、采用二次重叠执行方式，必须解决两个问题：(1)要有独立的取指令部件、指令分析部件和指令执行部件。要把一个集中的指令控制器，分解成三个相对独立的控制器：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。2＞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。(2)两独立的存储器:独立的指令存储器和数据存储器。如

5、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,那么，取指令、分析指令和执行指令就可以同时进行。在许多高性能处理机中，有独立的指令Cache和数据Cacheo这种结构被称为哈佛结构o指令存储器和数据存储器分开的明显缺点：对程序员不透明。(3)采用先行控制技术。先行控制技术的关键是缓冲技术和预处理技术。缓冲技术是在工作速度不固定的两个功能部件之间设置缓冲栈，用以平滑它们的工作。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。5.1.3采用先行控制方式的处理机结构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

6、令缓冲栈先行读数缓冲栈先行操作栈后行写数栈3、处理机组成采用先行控制方式的处理机组成4、先行指令缓冲栈的组成只要指令缓冲栈没有充满，就自动发出取指令的请求。设置两个程序计数器：先行程序计数器PC],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。5、存在的主要问题：(1)各类指令“分析”和“执行”所需要的时间相差很大。(2)数据相关和变址相关。(3)转移或转子程序指令。在本章中，将分别介绍这三个问题的解决方法。5.1.4先行控制方式的指令执行时序设置了指令缓冲栈，取指令的时间就可以忽略不计。1、分析指令和执行指令时间不相等时的情况分析k执行k分析k+1■［执行M

7、l分析k+3执行k+3分析指令和执行指令时间不相等时的一次重叠执行方式2、采用先行缓冲栈的指令执行过程先行读数栈，先行操作栈，后行写数栈。分析k执行k执行k+2执行k+3采用先行缓冲栈的指令执行过程3、指令执行过程的时空图表示方法分析k分析k+1分析k+2分析k+3执行k执行k+1执行k+2执行k+3分析部件:执行部件:采用先行缓冲栈时指令执行过程的时空图表示方法理想情况下，指令执行部件应该一直忙碌，连续执行n条指令的时间为:5.1.5先行缓冲栈设置先行缓