超标量——计算机cpu处理技术

取指部件
译码部件
执行部件
流水线技术就是这样一种指令重叠执行的技术
2013年12月7日星期六
第六章 中央处理器
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指令的几种执行方式
取指 分析 k 3t 顺序执行方式 第k + 2条指令 第k + 1条指令 第k条指令 取指 分析 3t 取指 执行 3t 一次重叠执行方式 第k + 2条指令 第k + 1条指令 第k条指令 取指 取指 取指 分析 执行 分析 执行 取指 分析 k+ 1 3t 执行
8
(3) 各部件运行时间不相等 这种情况所造成的影响可以用图形象地表示：
空闲时间 第k+2条指令 第k+1条指令 第k条指令 分析 分析 执行 执行
分析
执行
当分析和执行时间不相等时的重叠执行
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二、先行控制原理
先行指令栈 地 址 线 先行读数栈 运算控制器 指令分析器
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写k 写k+1 写k+2 写k+3 运k 运k+1 运k+2 运k+3 取k 取k+1 取k+2 取k+3 形k 形k+1 形k+2 形k+3 译k 译k+1 译k+2 译k+3 取k 取k+1 取k+2 取k+3
△t
2△t 3△t 4△t 5△t 第六章 中央处理器 6△t
9∆t
取指
执行
分析
执行
7∆t
分析 执行
执行
5∆t
分析
二次重叠执行方式
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一、指令的重叠执行
3．实现重叠执行必须解决的问题
(1) 各个部件独立控制 必须将统一的指令控制器分解成三个控制器： 存储控制器（存控）：对存储器的存取 指令控制器（指控）：控制指令分析器的工作 运算控制器（运控）：控制指令执行过程
当工作频率受限于技术的进步时，并行处理技术可以大 大提高处理器的工作效能，同时由于频率没有提高，从 而也不会显著增加功耗
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超标量技术

超标量是通过内置多条流水线来同时执行 多个处理器，以实现一个周期内处理多条 指令，其实质是以空间换取时间。
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超标量处理机

中央处理单元（CPU） 浮点处理单元（FPU）
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超标量体系结构

超标量体系结构 (superscalar architectures)超标量体系结构描述一种 微处理器设计，它能够在一个时钟周期执 行多个指令。在超标量体系结构设计中， 处理器或指令编译器能够判断指令能独立 于其它顺序指令而执行，还是依赖于另一 指令，必须跟其按顺序执行。
是否还有其它的问题？比如对存储器的访问是否会有 问题？
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一、指令的重叠执行
3．实现重叠执行必须解决的问题
(2) 存储器访问冲突：处理机中三个独立的部件正 在执行的是三条不同的指 令，他们很可能同时提出对 存储器读写的请求
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超标量体系结构


处理器然后使用多个执行单元同时执行两 个或更多独立指令。超标量体系结构设计 有时称“第二代RISC”。 涉及计算机智能化，要求较高
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CPU发展历史

第1阶段（1971——1973年）是4位和8 位低档微处理器时代，通常称为第1代，其 典型产品是Intel4004和Intel8008微处理 器。（1971年计算机发展进入第四代，大 超大规模集成电路计算机）

第6阶段（2005年至今）是酷睿（core） 系列微处理器时代，通常称为第6代。
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查询自己电脑的CPU型号
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7△t
8△t
9△t
时间
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三、流水线工作原理

影响流水线性能的因素：
• 局部相关（先写后读相关）
k 指令入 j i h
1
2 读数
3
4
5
6
7
写数
8
结果出
MEM
• 全局相关：转移指令、中断带来的影响
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微处理器中的新技术


超标量技术 超线程技术 多核技术 超流水线技术
§6 流水线技术

CPU的工作过程
取指令
一条指令的
分析指令 执行指令 取指令
执行过程
一条指令的
分析指令 执行指令
执行过程
…
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§6 流水线技术
CPU i MEM j k
取指部件
译码部件
执行部件
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§6 流水线技术
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CPU发展历史

第2阶段（1974——1977年）是8位中高 档微处理器时代，通常称为第2代，其典型 产品是Intel8080/8085、Motorola公司 、Zilog公司的Z80等。
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CPU发展历史

第3阶段（1978——1984年）是16位微 处理器时代，通常称为第3代，其典型产品 是Intel公司的8086/8088，Motorola公 司的M68000，Zilog公司的Z8000等微处 理器。
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Fra Baidu bibliotek CPU发展历史



第4阶段（1985——1992年）是32位微 处理器时代，又称为第4代。 1989年，我们大家耳熟能详的80486芯片 由英特尔推出。 在80x86系列中首次采用了RISC（精简指 令集）技术，可以在一个时钟周期内执行 一条指令。
CPU i MEM j k
取指部件
译码部件
执行部件
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§6 流水线技术
其实指令的执行还可以这样：
CPU i MEM j k
取指部件
译码部件
执行部件
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§6 流水线技术
其实指令的执行甚至可以这样：
CPU i MEM j k
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CPU发展历史

第5阶段（1993-2005年）是奔腾（ pentium）系列微处理器时代，通常称为 第5代。典型产品是Intel公司的奔腾系列 芯片及与之兼容的AMD的K6、K7系列微处 理器芯片。
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CPU发展历史
去 主 存 储 器
存 储 控 制 器
先行操作栈
通 用 寄 存 器
后行写数栈
运算器
采用先行控制方式的处理机框图
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三、流水线工作原理
建立在重叠执行、先行控制的基础上，依据 指令的处理步骤，将处理机分解成一系列独立的 工作部件（+锁存器），让指令顺序地通过各个 部件，完成该指令的处理全过程，这就是流水线 结构的处理机。
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三、流水线工作原理
指 令 入 取指令 译码 形成操作 数地址 取操作数 算逻运算
处理步骤分割得越 细，指令执行的并 行度越高
保存结果
结 果 出

时空图——描述流水线工作过程
空间 平均每条指令执 行时间为△t
写回 运算 取数 形成操作数地址 译码 取指
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对比 超标量与简单的流水线技术
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对比 超标量与超流水线技术
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P e n t i u m、Pentium Pro和Pentium II处理器的超标量设计更是分别结合了两条 和三条独立的指令流水线，每条流水线平 均在一个时钟周期内执行一条指令，所以 它们平均一个时钟周期分别可执行2条和3 条指令。
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本章小结
重点内容： 超线程的工作原理和实现方法
超标量与超流水的区别
简要介绍CPU相关知识
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