计算机系统结构第五章.doc

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1、第五章标量流水技术计算机处理器的主要功能是控制指令的解释执行，为了能引入并行处理，目前普遍使用一种经济有效的方法，即流水控制方式。本章讨论的是有关流水控制的概念、原理、涉及的问题与解决的办法，以及流水控制技术的应用和进一步的发展。5.1控制流及其改变按算法要求控制指令序列的先后顺序执行称控制流，通常指令的执行顺序是相继的，但控制流经常会发生间断，破坏顺序性，主要有以下几种情况：1.转移指令不转移：PC=K0+K1T转移：控制流发生间断，以目标地址为起始点，再顺序流动。Pcpc转移指令Pc=k0+k1K0Tt(a)(b)2.过程

2、调用和返回可嵌套和递归，返回时从原来断点继续执行。3.协同程序与调用不同，被调用过程不总是从头开始，如下图。协同程序A协同程序B4.中断和自陷为使流水控制方式能高效地解释指令，程序执行的控制流必须是连续的，因此对控制流的改变要采取有效的措施，以保证流水控制的实现。5.2标量流水工作原理5.2.1重叠操作方式和先行控制指令的解释执行有以下几种工作方式：1.顺序方式这种方式指令串行执行，设一条指令的解释分为：取指、分析、执行三个阶段，指令解释执行如下图所示：执行k+1分析k+1取指k+1执行k分析k取指k设各阶段执行时间为t，解释

3、n条指令的时间是：若各阶段执行时间不同，分别为t取、t分、t执，则解释n条指令时间为：(t取i+t分i+t执i)顺序方式控制简单，但指令串行解释速度慢，设备利用率低。2.重叠方式这是使相邻指令的解释在一些阶段上的操作在时间上重叠执行，如：取指k+1分析k+1执行k+1取指k分析k执行k取指k+1分析k+1执行k+1取指k分析k执行kT=(n+2)t或T=(2n+1)t重叠方式需增设指令缓冲寄存器，在执行k条指令时存放k+1条指令。同时还要解决取操作数与取指令都要访问存储器的冲突。解决冲突的方法：•使用分开的指令存储器和数据存储

4、器，称为哈佛结构，如Pentium处理器设置有指令Cache和数据Cache。•采用多体交叉存储器•设置指令缓冲寄存器组这可预取指令，取指阶段时间短，可以合并到分析阶段，一条指令解释是分析和执行两个阶段。重叠方式如下：分析k执行k分析k+1执行k+1分析k+2执行k+2T=(n+1)t这称为一次重叠。3.先行控制一次重叠方式中，若分析和执行两个阶段操作时间不一样，有可能使分析与执行操作有时处于空闲，如下图：分析k执行k空闲分析k+1执行k+1分析k+2执行k+2空闲解释n条指令的时间为：T=t分1+(max(t分i，t执i–1

5、))+t执n要消除空闲等待的时间，可进行如下操作：分析k执行k分析k+1执行k+1分析k+2执行k+2T=t分1+t执I为此，必须采用先行控制技术，即指令预取、指令先行分析、预取数据等。并增设有关部件，如：指令缓冲站、先行操作栈、数据缓冲站等。先行控制结构图如下：主存存控写数据缓冲区读数据缓冲区指令缓冲栈执行部件先行操作栈指令分析器数据缓冲栈5.2.2标量流水工作原理流水是重叠方式的进步发展，如把一条指令的解释细分为：取指、译码、执行、访存、写回寄存器五个子过程，相邻指令之间多个子过程时间上重叠操作，如下图所示。S空间(功能段

6、)建立(填入)正常(满载)排空S512345nS412345nS312345nS212345nS112345nt1t2t3t4t5tnT时间m∆t(n-1)∆t这种工作方式与工厂中的装配流水线相类似，所以称其为流水方式。上图给出了指令各功能段重叠操作的时间关系，称此为流水方式的时空图。流水的物理实现称流水线，其一般结构如下：LLLLLSkS2S1输入输出时钟L：锁存器，锁定时间为∆tl，Si：功能段，延迟时间为∆ts。1流水线最高最高工作频率为：∆ts+∆tl流水线有以下特点：(1)一条流水线通常由多个流水段组成，(2)每个流

7、水段有专门的功能部件，相邻两个功能部件由锁存器隔开，(3)各流水段所需时间是一样的，(4)流水线工作分建立、满载和排空三个阶段，(5)流水线满载工作时，每隔∆t时间有一个结果流出流水线。上面流水线用于指令的解释，其实也可以用于运算操作，例如浮点运算。下面是浮点加法运算的流水操作。两个浮点数相加分四个阶段：S1：对阶r=max(p，q)，t=

8、p-q

9、，小阶尾数右移t位。S2：两个尾数相加求和。S3：规格化尾数，数前导0，左移尾数S4：修改阶码设4个段的延时为S1=60nsS2=50nsS3=90nsS4=80nsL=10ns四

10、个阶段最大延迟时间为90+10=100ns，流水线满载运行时，每100ns可完成一次浮点加法操作。顺序执行时，完成一次浮点加法操作需要的时间为：2l+S1+S2+S3+S4=20+60+50+90+80=300ns采用流水线运算速度提高三倍。下图为浮点加法流水线。Paqb尾数