计算机组成_ 流水线处理器(Pipelined Processor)_
流水线处理器
一、流水线处理器1、流水线原理一条指令的执行可以分为取值、分析和执行3个阶段，这3个阶段的执行分别由控制器内部的取值部件、指令分析部件和指令执行部件3个独立的功能部件完成。
在传统的控制器中，这3个阶段在时间上是分时进行的，即指令的3个阶段在时间上是顺序执行的，指令的这种执行方式又称为串行执行。
在串行执行方式中，n条指令的执行时间为：∑=+ +=niiiitttT1) (执行指令分析指令取指令如果取指令、分析指令和执行指令的3段时间都相等，每段时间都等于t ，则执行n 条指令的时间为：T=3nt采用串行执行指令的方式的优点是控制简单，节省硬件。
缺点是：①执行指令的速度慢。
只有当上一条指令执行完毕后，才能开始下一条指令的执行，即在任何时刻，控制器中只有一条指令在执行。
②功能部件利用率低。
例如，在取指令时，取指部件是“忙”的，而指令分析部件和执行部件是“空闲”的。
因此，串行执行指令并不能充分发挥控制器内各独立功能部件的作用。
为了克服串行执行指令的缺点，提高指令的执行速度和控制器各部件和利用率，指令的执行过程可以采用类似于工厂中的流水线装配形式，使指令的3个执行阶段在控制器各部件实现流水作业，控制器各部件总处于“忙”状态。
如果取指令、分析指令和执行指令的3段时间都相等，且每段时间都等于t，则执行n 条指令的时间为：T=（2+n）t 。
上述分析是针对在一条流水线有3个独立的功能部件而言的。
若一条流水线有m个功能独立的部件S1 ，S2，……，S m，这种流水线控制器的并行程度会显著提高。
为了充分发挥流水线的作用，流水线中的功能部件和任务必须满足以下条件：（1）在流水线中处理的任务必须是连续的，只有连续不断的任务才能充分发挥流水线的效率。
（2）把一个任务（一条指令或一个操作）分解为几个有联系的子任务，每个子任务由一个独立的功能部件来完成。
（3）在流水线中的每一个功能部件的后面都要有一个高速缓冲器用于保存本段的执行结果。
计算机的基本组成部分有哪些
计算机的基本组成部分有哪些计算机是一种高效的信息处理工具，它由多个基本组成部分构成，每个组成部分都发挥着重要的作用。
本文将介绍计算机的基本组成部分及其功能。
一、中央处理器（CPU）中央处理器是计算机的核心部件，主要负责解释和执行计算机程序。
它由控制单元和算术逻辑单元组成，控制单元负责控制数据流和指令的执行流程，算术逻辑单元负责完成各种运算操作。
中央处理器是计算机的大脑，决定了计算机的运算速度和性能。
二、内存（Memory）内存是计算机重要的存储器件，负责临时存储数据和程序。
它被分为主存储器和辅助存储器。
主存储器是计算机与外部世界直接交互的地方，包括随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。
辅助存储器则用于长期存储和备份数据，如硬盘、光盘和闪存。
三、输入设备（Input Devices）输入设备用于将外部信息输入计算机系统，常见的有键盘、鼠标、扫描仪和摄像头等。
键盘和鼠标是最基本的输入设备，用户可以通过键盘输入文字和指令，通过鼠标控制光标和点击操作。
扫描仪和摄像头可以将纸质文件或实物物体转化为数字化的数据。
四、输出设备（Output Devices）输出设备用于将计算机处理的结果呈现给用户，最常见的输出设备是显示器和打印机。
显示器可以将文字和图像以可视化的形式展现出来，而打印机则将数据以纸质形式输出。
其他输出设备还包括音频设备和投影仪等。
五、存储设备（Storage Devices）存储设备用于永久存储和保存数据，以备将来使用。
常见的存储设备包括硬盘、固态硬盘和光盘等。
硬盘可以大容量地存储数据，固态硬盘具有更快的读写速度，而光盘则可以方便地存储、传播和备份数据。
六、总线（Bus）总线是计算机各组件之间进行通信和数据传输的通道。
它负责传递控制信号、地址和数据。
总线通常分为数据总线、地址总线和控制总线三种类型，数据总线用于传输数据，地址总线用于指定内存地址，控制总线用于传递控制信号。
七、操作系统（Operating System）操作系统是计算机的核心软件，负责管理和控制计算机的各种资源，提供良好的用户界面和支持各种应用程序的环境。
计算机体系结构——流水线技术（Pipelining）
单功能流水线：流水线只完成一种固定功能 多功能流水线：流水线可以完成多种功能，如 TI公司的ASC机，8段流水线，能够实现：定点加减 法、定点乘法、浮点加法等功能 3.按同一时间内各段之间的连接方式分 静态多功能流水线 ：同一时间内，多功能结构只能按一种功能的连接方式工作。 动态多功能流水线：在同一时间内，可以有多种功能的连接方式同时工作 4.按处理的数据类型 标量流水线 向量流水线 5.按控制方式 同步流水线 异步流水线：当Si功能段要向Si+1段传送数据时，首 先发出就绪信号，Si+1功能段收到信号后，向Si回送 一个回答信号。 6.按任务从输出端的流出顺序 顺序流水方式：指令流出顺序 = 指令流入顺序 乱序流水方式：指令流出顺序 ！= 指令流入顺序 7. 线性流水线——不带反馈回路的流水线
三、流水线的分类（了解）
四、流水线相关及冲突（重点） 1.流水线相关 2.流水线冲突 3.流水线冲突带来问题 4.数据冲突及其解决方案 5.结构冲突及其解决方案 6.控制冲突及其解决方案
五、流水线性能分析(含例题讲解) 1.流水线的基本参数——吞吐率 2.流水线的基本参数——加速比 3.流水线的基本参数——效率 4.结果分析 5.有关流水线性能的若干问题
整体评估、反馈、再改进
3. 指令周期
单周期处理机模型：一个周期完成一个指令（每个周期是等长的），指令长度可能不一样，会造成很大的浪费 多周期处理机模型：将一个指令的完成划分成若干个周期来实现 流水线模型
二、流水线技术 1. 什么是流水线？ 计算机中的流水线是把一个重复的过程分解为若干个子过程，每个子过程与其他子过程并行进行。由于这种工作方式与工厂中的生产 流水线十分相似， 因此称为流水线技术 从本质上讲，流水线技术是一种时间并行技术。
计算机由哪几部分组成
计算机由哪几部分组成计算机是一种能够进行数据处理和执行运算的机器，它由多个部分组成。
这些部分相互配合，共同完成计算机的功能。
下面，我们将介绍计算机由哪几部分组成。
1. 中央处理器（Central Processing Unit，CPU）中央处理器是计算机的“大脑”，负责执行指令、控制和协调各个部件的工作。
它由算术逻辑单元、控制单元和寄存器等组成。
算术逻辑单元负责进行各种运算操作，控制单元负责指挥各部件的工作，而寄存器则用于临时存储数据和指令。
2. 内存（Memory）内存是计算机的临时存储器，用于存储当前运行的程序和数据。
它分为主存储器和辅助存储器两部分。
主存储器通常指的是随机存取存储器（Random Access Memory，RAM），它能够快速地读写数据。
辅助存储器包括硬盘、固态硬盘和U盘等，用于长期存储数据。
3. 输入设备（Input Devices）输入设备用于将外部信息输入计算机。
常见的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪和摄像头等。
键盘用于输入文本和命令，鼠标用于控制光标和进行操作，扫描仪和摄像头用于将纸质文档或图像转换成数字化的数据。
4. 输出设备（Output Devices）输出设备用于将计算机处理后的结果显示给用户。
常见的输出设备有显示器、打印机、喇叭和投影仪等。
显示器用于显示图像和文字，打印机可以将数据打印成纸质文档，喇叭用于播放声音，投影仪用于将图像投射到屏幕上。
5. 存储设备（Storage Devices）存储设备用于长期保存数据和程序。
除了辅助存储器外，还包括光盘、磁带和固态硬盘等。
光盘和磁带适用于大容量的数据存储，固态硬盘则以其高速读写和抗震抗摔的特点备受青睐。
6. 总线（Bus）总线是计算机内部各部件之间传输数据和信号的通道。
它分为数据总线、地址总线和控制总线等。
数据总线用于传输数据，地址总线用于指定数据的存储位置，控制总线则用于控制各部件的工作。
通过以上介绍，我们可以看到计算机由中央处理器、内存、输入设备、输出设备、存储设备和总线等几个部分组成。
计算机组成原理基础知识流水线技术和超标量处理器
计算机组成原理基础知识流水线技术和超标量处理器计算机组成原理基础知识：流水线技术和超标量处理器计算机组成原理是指计算机硬件的基本组成和工作原理。
在计算机科学与技术领域，流水线技术和超标量处理器是两个重要的概念。
本文将介绍这两种技术的基本原理和应用。
一、流水线技术流水线技术是指将一个复杂的操作分解成多个简单的子操作，并将这些子操作连续地执行，以提高计算机的指令执行效率。
在传统的自顶向下的设计方法中，计算机硬件主要包括控制器、运算器等单一功能模块，而在流水线技术中，计算机硬件被划分成多个阶段，每个阶段执行一个特定的功能子模块。
经典的流水线包括取指、译码、执行、访存和写回等阶段。
在取指阶段，计算机从存储器中读取指令；在译码阶段，计算机对指令进行解码并读取相应的操作数；在执行阶段，计算机执行相应的操作；在访存阶段，计算机对数据进行读写操作；在写回阶段，计算机将执行结果写回到寄存器或存储器。
流水线技术的优点是可以充分利用计算机硬件资源，提高指令的并行执行程度。
但是，流水线技术也存在一些问题，例如数据的相关性和冒险问题，需要通过一些技术手段来解决。
二、超标量处理器超标量处理器是一种在流水线技术基础上的改进方案。
传统的流水线技术中，每个阶段只能执行一个指令，而超标量处理器允许在同一个时钟周期内执行多个指令，以进一步提高计算机的执行效率。
超标量处理器主要依靠两个关键技术来实现多指令并行执行：乱序执行和动态调度。
乱序执行是指根据指令之间的依赖关系，按照合理的顺序执行指令，而不是按照指令在程序中的顺序执行。
动态调度是指通过硬件对指令进行调度，在不改变程序语义的前提下，尽可能地重排指令的执行顺序，以提高指令的并行度。
超标量处理器的工作原理可以简单描述为：在取指阶段，计算机从存储器中读取多个指令；在译码阶段，计算机对这些指令进行解码；在执行阶段，计算机并行执行多个指令；在访存阶段，计算机同时进行多个数据的读写操作；在写回阶段，计算机将执行结果写回到寄存器或存储器。
了解现代计算机体系结构
了解现代计算机体系结构现代计算机体系结构是指计算机硬件和软件之间的结构组织和交互方式。
了解现代计算机体系结构对于学习和理解计算机的工作原理以及技术发展具有重要意义。
本文将从计算机的组成、层次和关键技术等方面介绍现代计算机体系结构的基本知识。
一、计算机的组成现代计算机由硬件和软件两部分组成。
硬件部分包括中央处理器（CPU）、内存、输入输出设备等，软件部分则包括系统软件和应用软件。
计算机的硬件和软件之间通过总线进行连接和通信。
1. 中央处理器（CPU）中央处理器是计算机的核心部件，负责执行指令并处理数据。
它包括运算器和控制器两个部分。
运算器执行算术和逻辑运算，而控制器则负责指令的解码和执行，以及协调硬件的工作。
2. 内存内存是计算机中用于存储数据和指令的地方。
它分为主存和辅存两部分。
主存是CPU可以直接访问的部分，而辅存则用于长期存储数据和程序。
3. 输入输出设备输入输出设备用于与计算机进行信息交互。
常见的输入设备包括键盘、鼠标和扫描仪等，而输出设备则包括显示器、打印机和音响等。
二、计算机的层次现代计算机按照功能和抽象程度可以划分为多个层次，从下到上分别是硬件层、操作系统层、编程语言层和应用层。
1. 硬件层硬件层是计算机最底层的层次，包括CPU、内存、总线等硬件组件。
它负责执行指令和处理数据，是计算机系统的基础。
2. 操作系统层操作系统层是计算机系统的核心层次，它提供了对硬件的管理和控制。
操作系统负责调度进程、管理内存和文件系统等重要任务，为上层应用提供了统一的接口。
3. 编程语言层编程语言层是介于操作系统和应用层之间的层次。
它将高级语言翻译成计算机可以理解的机器语言，并提供了丰富的库和工具，方便程序员开发和调试应用程序。
4. 应用层应用层是计算机系统最上层的层次，包括游戏、办公软件、网络浏览器等各种应用程序。
应用层使用操作系统和编程语言提供的接口，实现特定的功能和任务。
三、现代计算机体系结构的关键技术现代计算机体系结构涉及多个关键技术，在提升计算机性能和功能方面起到重要作用。
按照流水线的级别来分计算机结构
AB 输入
AB 输入
AB 输入
AB 输入
求阶差
求阶差
求阶差
求阶差
对阶
对阶
对阶
对阶
尾数加
尾数加
尾数加
尾数加
规格化
规格化
规格化
规格化
尾数乘
尾数乘
尾数乘
尾数乘
累加
累加
累加
累加
输出
输出
g= f(A ,B)
(a)功能段间的互连
定点乘 (b)定点乘法
输出
输出
浮点加
浮点点积
(c)浮点加法 (d)浮点点积
4、静态流水线与动态流水线
按照流水线的级别来分
处理机级流水线, 又称为指令流水线
(Instruction Pipelining) 例如：在采用先行控制器的处理机中， 各功能部件之间的流水线
输入 先行指令 先行指令 先行读数栈 缓冲栈 分析器 先行操作栈
取指
译码
取操作数
指令执 后行 输出
行部件 写数栈
先行控制方式
执行 写结果
中的指令流水线
静态流水线： 同一段时间内，多功能流水线中的各个 功能段只能按照一种固定的方式连接， 实现一种固定的功能。 只有连续出现同一种运算时，流水线的 效率才能得到充分的发挥。
动态流水线： 在同一段时间内，多功能流水线中的各 段可以按照不同的方式连接，同时执行 多种功能。
空间
浮点加法 定点乘法
输出
1 2 3…n
水线或异步流水线等
输入 就绪 回答
就绪
就绪
S1 回答 S2 回答 S3
输出 就绪 回答
5.2.3 线性流水线的性能分析
流水线(Pipeline)介绍
ID 段 Reg EX 段 MEM 段 DM WB 段 Reg
IF 段 IM
流水线寄存器
13
ALU
2.3 数据冒险
一条指令必须等到另一条指令的完成而造成 的流水线暂停的情况叫做数据冒险。形如： add $s0, $t0, $t0 sub $t2, $s0 $t3 加法指令需要到WB阶段后才写回结果，减法 指令此时才可以继续执行。在不任何干预的 情况下，流水线白白浪费了三个时钟周期。
Can’t happen in MIPS 5 stage pipeline because: - All instructions take 5 stages, and - Writes are always in stage 5
18
读后写冲突（WAR: Write After Read）
在 i 读之前，j 先写。i 读出的内容是错误的！ 这对应“反相关” ，寄存器换名技术可以消 除
转发（旁路）方式解决数据冒险
形如：add $s0, $t0, $t0 sub $t2, $s0 $t3，减法指令要等到加 法指令写回寄存器堆时才可以执行指令，浪 费了时间。转发技术：在加法指令在ALU运 算一结束就将结果送给减法指令的输入项。 这样从内部资源中直接提前得到缺少的运算 项的过程叫做转发。
计算机的基本组成
计算机的基本组成计算机是现代社会中不可或缺的工具之一，它的出现极大地改变了人们的生活和工作方式。
计算机的基本组成由硬件和软件两部分构成，硬件包括中央处理器(CPU)、内存、输入设备、输出设备和存储设备等，而软件则包括系统软件和应用软件。
以下将详细讨论计算机的基本组成及其功能。
一、中央处理器（CPU）中央处理器是计算机的核心，负责执行计算机中的所有指令和控制计算机的运行。
它由控制单元和算术逻辑单元组成。
控制单元负责解释和执行指令，控制数据的传输和处理过程，而算术逻辑单元则负责进行各种数学和逻辑运算。
二、内存内存是计算机的临时存储器，用于存储当前正在运行的程序和数据。
它分为随机存取存储器(RAM)和只读存储器(ROM)两种类型。
RAM具有读写功能，可以随时读写数据，而ROM只能被读取。
内存的大小直接影响了计算机的运行速度和性能。
三、输入设备输入设备用于将外部信息传递给计算机系统。
常见的输入设备包括键盘、鼠标、扫描仪和摄像头等。
通过输入设备，用户可以向计算机提供指令和数据，实现与计算机的交互。
四、输出设备输出设备将计算机处理后的数据和结果展示给用户。
常见的输出设备包括显示器、打印机、音响和投影仪等。
通过输出设备，计算机可以将数据转化为可视化或可听的形式，方便用户阅读和使用。
五、存储设备存储设备用于永久保存计算机的程序和数据。
硬盘、光盘和闪存是常见的存储设备。
其中，硬盘是计算机的主要存储介质，具有较大的容量和较快的读写速度，可长期保存大量数据和程序。
六、系统软件系统软件是计算机运行的基础，负责管理计算机的硬件资源、提供用户接口和保护系统安全。
操作系统是最重要的系统软件，它协调和控制计算机的各项工作，使计算机能够高效稳定地运行。
七、应用软件应用软件是用户根据自己的需求编写或选择的程序。
它可以帮助用户完成各种任务，如文字处理、图像编辑、电子表格和数据库管理等。
应用软件根据不同的功能和用途可以分为多个不同的类别。
计算机组成原理中的流水线与并行计算
计算机组成原理中的流水线与并行计算计算机组成原理是计算机科学中的重要课程，涉及到计算机硬件的各个层面和组成部分。
在计算机组成原理中，流水线和并行计算是两个重要的概念，它们在提高计算机性能和效率方面发挥着重要作用。
一、流水线的概念与原理流水线是一种将任务分解为多个阶段并分别处理的技术。
在计算机中，流水线将指令执行过程分为多个步骤，并在不同的处理器上同时执行这些步骤，以提高整体的执行速度。
流水线的原理可以简单地用装配线的概念来解释。
就像工厂的装配线一样，每个工人负责在流水线上的一个工作站上完成一个特定的任务，然后将产品传递给下一个工人进行下一步处理。
这样，整个生产过程可以并行进行，从而提高了效率。
在计算机中，流水线处理的阶段通常包括取指（Instruction Fetch）、译码（Instruction Decode）、执行（Execute）、访存（Memory Access）和写回（Write Back）等。
每个阶段负责完成特定的任务，然后将结果传递给下一个阶段。
这样，计算机可以同时处理多个指令，提高了整体的运行速度。
二、并行计算的概念与应用并行计算是指在计算过程中同时进行多个操作或任务的技术。
与流水线不同的是，并行计算更强调多个任务的同时执行。
在计算机组成原理中，并行计算被广泛应用于多核处理器和分布式系统中。
例如，现代的计算机中常常使用多核处理器，每个核心可以同时执行不同的任务，从而提高计算机的整体性能。
另外，分布式系统中的多台计算机可以同时工作，通过任务的分配和协调来完成复杂的计算任务。
并行计算的应用包括科学计算、数据处理、图像处理等领域。
在科学计算中，大规模的模拟和计算问题可以通过将任务分配给多个处理器来加速计算过程。
在数据处理和图像处理中，可以同时处理多个数据项或图像，从而提高处理的效率和速度。
三、流水线与并行计算的关系流水线和并行计算是紧密相关的概念，它们都旨在提高计算机的性能和效率。
流水线的实现可以看作是一种简单形式的并行计算，其中不同的阶段可以同时执行。
计算机体系结构中的流水线和超标量设计
计算机体系结构中的流水线和超标量设计计算机体系结构是指计算机硬件和软件的结构组织方式，它决定了计算机的性能和功能。
在计算机体系结构中，流水线和超标量设计是两种常见的优化技术，它们可以提高计算机的指令执行效率和处理能力。
本文将对流水线和超标量设计进行详细的介绍和分析。
一、流水线设计流水线设计是一种将计算机指令划分为多个互相依赖的阶段，并通过多个专用硬件单元并行执行的技术。
流水线设计可以将指令的执行时间缩短，提高计算机的吞吐量。
1. 流水线结构在流水线设计中，计算机指令的执行被划分为多个阶段，每个阶段由一个专门的硬件单元负责。
典型的流水线结构包括指令获取、指令解码、执行、访存和写回等多个阶段。
每个阶段的任务会同时进行，使得计算机能够在同一时间执行多个指令。
2. 流水线优点流水线设计的主要优点是能够提高计算机的执行效率。
由于每个硬件单元只需要处理指令的一个阶段，因此可以同时进行多个指令的处理。
这种并行执行的方式可以大大提高计算机的吞吐量，加快指令的执行速度。
3. 流水线缺点尽管流水线设计可以提高计算机的执行效率，但也存在一些缺点。
首先，由于每个硬件单元只负责指令的一个阶段，因此在某个阶段出现问题时，后续的指令会受到影响，导致整个流水线的效率下降。
此外，由于指令之间可能存在依赖关系，流水线设计可能会引发数据冒险和控制冒险等问题，需要通过技术手段解决。
二、超标量设计超标量设计是一种在计算机处理器中使用多个独立的执行单元，并行执行多个指令的技术。
超标量设计可以进一步提高计算机的指令级并行性和处理能力。
1. 超标量结构在超标量设计中，处理器包含多个独立的执行单元，每个执行单元可以同时执行一条指令。
这些执行单元可以根据指令的特点和依赖关系选择合适的指令并行执行策略。
超标量设计通过增加硬件资源，提高了计算机的指令级并行性。
2. 超标量优点超标量设计的主要优点是可以进一步提高计算机的处理能力。
由于每个执行单元可以独立执行指令，通过合理的指令调度和并行执行策略，可以在同一时间执行多条指令。
计算机的组成及基础知识
计算机的组成及基础知识计算机是现代社会中不可或缺的工具，它由许多不同的组成部分组成。
本文旨在介绍计算机的基本组件以及基础知识。
一、计算机的基本组成部分1. 中央处理器（Central Processing Unit，简称CPU）：CPU是计算机的核心，负责执行计算机的指令和处理数据。
它包括控制单元和算数逻辑单元，控制单元用于解释和执行指令，算数逻辑单元用于进行数学运算和逻辑运算。
2. 存储器（Memory）：计算机的存储器用于临时存储数据和程序。
主要包括内存和磁盘存储器。
内存是存储正在执行的程序和数据的地方，而磁盘存储器用于长期存储数据和程序。
3. 输入设备（Input Devices）：用于将外部数据和指令输入到计算机中。
常见的输入设备包括键盘、鼠标、扫描仪、触摸屏等。
4. 输出设备（Output Devices）：用于将计算机处理后的结果显示给用户。
常见的输出设备包括显示器、打印机、扬声器等。
5. 主板（Motherboard）：主板是计算机各个组件的连接中心，它将CPU、存储器、输入输出设备等连接在一起，并提供电源和各种总线连接。
6. 显卡（Graphics Card）：显卡是计算机用于处理图像和视频的关键组件。
它将计算机生成的图像信号转换为显示器可以显示的形式。
7. 硬盘（Hard Drive）：硬盘是计算机长期存储数据的地方。
它通过旋转磁盘和磁头来读写数据。
二、计算机的基础知识1. 位和字节：计算机中最小的数据单位是位（bit），一个位可以表示0或1、而字节（byte）是计算机中常用的数据单位，一个字节等于8个位。
2.二进制和十进制：计算机使用二进制（0和1）表示数据和指令。
而我们通常使用的是十进制（0-9）。
计算机可以通过二进制和十进制之间的转换来进行计算和存储。
3. 操作系统（Operating System，简称OS）：操作系统是计算机的核心软件，它负责管理计算机的资源和提供用户与计算机硬件之间的接口。
计算机组成原理之流水线处理机
计算机组成原理之流水线处理机简介流水线处理机是计算机组成原理中的重要概念之一。
它通过将指令的执行过程分为多个阶段，并使得不同的指令在不同的阶段同时执行，从而实现指令的并行处理，提高计算机的执行效率。
本文将介绍流水线处理机的工作原理、设计原则以及在计算机体系结构中的应用。
工作原理流水线处理机的工作原理可以简单描述为将指令执行流程划分为多个连续的阶段，并在每个时钟周期内同时执行不同的指令。
典型的流水线处理机包括取指、译码、执行、访存和写回等阶段。
每个阶段都有专门的硬件模块负责处理相应的任务，而不同的指令则在不同的阶段同时执行，从而提高计算机的执行效率。
具体而言，流水线处理机的工作过程大致可以分为以下几个阶段：1.取指（IF）：从内存中读取指令，并将其存储到指令寄存器中。
2.译码（ID）：对指令进行解码，确定指令的类型和操作数，并从寄存器堆中读取相应的数据。
3.执行（EX）：根据指令的类型和操作数，执行相应的计算、逻辑或存储操作。
4.访存（MEM）：根据指令的要求，进行内存的读取或写入操作，或者与外部设备进行通信。
5.写回（WB）：将计算的结果写入寄存器堆中。
这些阶段可以同时进行，使得不同指令在不同阶段之间的流动保持连续，从而达到高效的并行执行。
设计原则在设计流水线处理机时，需要考虑一些重要的原则。
这些原则包括：1.流水线阶段划分：合理的划分流水线阶段是流水线处理机设计的关键。
通常情况下，流水线的阶段应当尽可能细致，以便在每个阶段内能够并行执行更多的操作。
2.流水线寄存器：为了保证流水线的数据同步和流畅的运行，需要在每个阶段之间插入流水线寄存器。
这些寄存器用于存储不同阶段之间的数据，并提供了一个缓冲区域来保证数据的正确流动。
3.数据冲突处理：数据依赖和冲突是流水线处理机设计中常见的问题。
为了避免数据冲突对计算结果的影响，可以采用数据前推和数据旁路等技术来解决。
4.控制冲突处理：由于指令之间的控制依赖关系，可能会导致指令执行的顺序发生改变，从而影响流水线的效率。
处理器系列之CPU流水线科普
处理器系列之CPU流水线科普1989年推出的i486处理器引入了五级流水线。
这时，在CPU中不再仅运行一条指令，每一级流水线在同一时刻都运行着不同的指令。
这个设计使得i486比同频率的386处理器性能提升了不止一倍。
五级流水线中的取指阶段将指令从指令缓存中取出（i486中的指令缓存为8KB）；第二级为译码阶段，将取出的指令翻译为具体的功能操作；第三级为转址阶段，用来将内存地址和偏移进行转换；第四级为执行阶段，指令在该阶段真正执行运算；第五级为退出阶段，运算的结果被写回寄存器或者内存。
由于处理器同时运行了多条指令，大大提升了程序运行的性能。
处理器一般由如下功能单元组成：取指单元译码单元执行单元Load/store单元（load用于从内存中取数据，而STORE用于存数据到内存）例外/中断单元电源管理单元流水线通常由取指、译码、执行及Load/Store等单元组成。
各单元按图所示的几个步骤循环重复自身工作。
流水线的含义：与工厂生产线类似，将一件工作分成若干个固定的工序进行。
cpu流水线技术是一种将指令分解为多步，并让不同指令的各步操作重叠，从而实现几条指令并行处理，以加速程序运行过程的技术。
指令的每步有各自独立的电路来处理，每完成一步，就进到下一步，而前一步则处理后续指令。
（原理和生产流水线一样）CPU指令流水线根据之前描述的基础，指令进入流水线，通过流水线处理，从流水线出来的过程，对于我们程序员来说，是比较直观的。
I486拥有五级流水线。
分别是：取指(Fetch)，译码(D1, main decode)，转址(D2, translate)，执行(EX, execute)，写回(WB)。
某个指令可以在流水线的任何一级。
但是这样的流水线有一个明显的缺陷。
对于下面的指令代码，它们的功能是将两个变量的内容进行交换。
1 XOR a, b2 XOR b, a3 XOR a, b从8086直到386处理器都没有流水线。
计算机的基本组成
计算机的基本组成计算机是一种工具，它被广泛应用于各个领域，从个人使用到商业运营，无处不在。
但是，你是否了解计算机的基本组成呢？在这篇文章中，我们将深入探讨计算机的基本组成，以帮助您更好地理解并利用计算机。
一、硬件组成计算机的硬件组成是指计算机的实体部分，包括中央处理器（CPU）、存储器、输入设备、输出设备以及其他辅助设备。
1. 中央处理器（CPU）中央处理器是计算机的核心部件，它负责执行计算机程序中的指令。
CPU由控制单元和算术逻辑单元组成，控制单元负责指挥计算机的操作，而算术逻辑单元则执行各种计算和逻辑运算。
2. 存储器存储器是计算机用于保存数据和程序的地方。
计算机的主要存储器包括随机访问存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。
RAM用于临时存储数据和程序，而ROM则用于存储不易更改的数据和程序。
3. 输入设备输入设备用于将外部数据输入到计算机中。
常见的输入设备包括键盘、鼠标、扫描仪、摄像头等。
这些设备允许用户通过输入数据来操作计算机。
4. 输出设备输出设备用于将计算机处理后的数据呈现给用户。
常见的输出设备包括显示器、打印机、投影仪等。
这些设备使用户能够看到计算机的输出结果。
5. 辅助设备除了核心的硬件组件外，计算机还可以通过辅助设备进行扩展和增强功能。
这些设备包括硬盘驱动器、光盘驱动器、USB接口等。
它们为用户提供更大的存储容量和更多的外部连接选项。
二、软件组成计算机的软件组成是指运行在计算机上的程序和数据，包括操作系统、应用软件和系统软件。
1. 操作系统操作系统是计算机的核心软件，它管理和控制计算机的硬件资源，并为用户和应用程序提供接口。
常见的操作系统包括Windows、macOS和Linux等。
2. 应用软件应用软件是指用于完成特定任务的程序。
例如，办公软件、图形设计软件、游戏等都属于应用软件。
这些软件通过操作系统与计算机硬件进行交互，帮助用户完成各种任务。
3. 系统软件系统软件是为操作系统本身提供支持和服务的软件。
计算机的组成部分有哪些
计算机的组成部分有哪些计算机是现代科技的重要产物，广泛应用于各行各业。
了解计算机的组成部分对于理解其工作原理和应用具有重要意义。
本文将详细介绍计算机的各个组成部分。
1. 中央处理器（CPU）中央处理器是计算机的核心组件，负责执行计算机的指令和控制计算机的操作。
它包括算术逻辑单元（ALU）、控制单元（CU）和寄存器。
ALU负责处理各种算术和逻辑运算，CU负责控制和协调各个组件的工作，寄存器则用于存储中间数据和指令。
2. 存储器存储器用于存储计算机的数据和指令。
根据存取速度和容量的不同，可以将存储器分为各级缓存、主存储器和辅助存储器。
各级缓存位于CPU内部，用于加快数据访问速度；主存储器通常是计算机的内存，用于临时存储数据和指令；辅助存储器包括硬盘、光盘和闪存等，用于永久性地存储大量的数据。
3. 输入设备输入设备用于将外部的信息输入到计算机中。
常见的输入设备包括键盘、鼠标、扫描仪和摄像头等。
键盘用于输入文字和命令，鼠标用于控制光标和进行选择操作，扫描仪和摄像头则用于将纸质文件或实物转换为数字形式。
4. 输出设备输出设备用于将计算机处理后的结果显示或输出到外部环境中。
常见的输出设备包括显示器、打印机和音响等。
显示器用于将计算机的图像和文字显示出来，打印机用于将计算机的结果打印成纸质文档，音响则用于输出音频和音乐。
5. 总线总线是计算机内部各个组件之间传输数据和信号的通道。
根据传输速度和数据宽度的不同，可以将总线分为系统总线、扩展总线和控制总线。
系统总线用于CPU、存储器和输入输出设备之间的通信，扩展总线用于连接外部设备，控制总线则用于控制和同步各个组件的工作。
6. 操作系统操作系统是计算机的核心软件，负责管理计算机的各个组件和资源，提供用户界面和运行环境。
操作系统可以协调各个应用程序的执行和资源的分配，保证计算机的稳定运行。
7. 应用软件应用软件是用户通过计算机进行各种任务和操作所使用的软件。
包括办公软件、图形图像处理软件、多媒体软件以及各种专业领域的软件等。
《计算机系统结构》流水线处理器 (3)
25 21 20 16 15 5 4 0
指令
rd rs1
rs2
rd rs1
imme
rd rs1
rs2
rd rs1
imme
rd rs1
rs2
rd rs1
imme
rd rs1
rs2
rd rs1 rd rs1 rd rs1
imme imme imme
disp (地址偏移量) disp (地址偏移量) disp (地址偏移量)
sub r1, r1, 1; 为保证结果的正确性，转移
bne loop; …
指令bne以及其后续指令的执
…
行时序应该为怎样？
11
软件支持的条件转移指令的流水线操作
转移指令的时序图
sub r1,r1,1
12
应该注意，不同的处理器中，转移指令的执行过 程有区别，因此所插入的延迟指令条数可能不同。
下面以软件支持的方式说明
值。
2
Load R1, 100(R2)
第3-2章 流水线处理机及其设计
3
流水线处理机的指令系统和指令格式
31 26
00 0000 00 0001 00 0010 00 0011 00 0100 00 0101 00 0110 00 0111 00 1000 00 1001
00 1010 00 1011 00 1100
9
Branch
pc+d
IF
ID
EXE
…
IF
ID
EXE
…
如果硬件支持，在第二个时钟结束之前，对于所 取的第二条指令在进行取指后，并不打入IR寄存器 (或者打入IR寄存器，但在下一个时钟周期封锁IR的 输出)。那么在第三个时钟周期也能到正确的地址进 行取指令。
计算机流水线（Pipeline）技术
计算机流⽔线（Pipeline）技术流⽔线是现代RISC核⼼的⼀个重要设计，它极⼤地提⾼了性能。
对于⼀条具体的指令执⾏过程，通常可以分为五个部分：取指令，指令译码，取操作数，运算（ALU），写结果。
其中前三步⼀般由指令控制器完成，后两步则由运算器完成。
按照传统的⽅式，所有指令顺序执⾏，那么先是指令控制器⼯作，完成第⼀条指令的前三步，然后运算器⼯作，完成后两步，在指令控制器⼯作，完成第⼆条指令的前三步，在是运算器，完成第⼆条指令的后两部……很明显，当指令控制器⼯作是运算器基本上在休息，⽽当运算器在⼯作时指令控制器却在休息，造成了相当⼤的资源浪费。
解决⽅法很容易想到，当指令控制器完成了第⼀条指令的前三步后，直接开始第⼆条指令的操作，运算单元也是。
这样就形成了流⽔线系统，这是⼀条2级流⽔线。
如果是⼀个超标量系统，假设有三个指令控制单元和两个运算单元，那么就可以在完成了第⼀条指令的取址⼯作后直接开始第⼆条指令的取址，这时第⼀条指令在进⾏译码，然后第三条指令取址，第⼆条指令译码，第⼀条指令取操作数……这样就是⼀个5级流⽔线。
很显然，5级流⽔线的平均理论速度是不⽤流⽔线的4倍。
流⽔线系统最⼤限度地利⽤了CPU资源，使每个部件在每个时钟周期都⼯作，⼤⼤提⾼了效率。
但是，流⽔线有两个⾮常⼤的问题：相关和转移。
在⼀个流⽔线系统中，如果第⼆条指令需要⽤到第⼀条指令的结果，这种情况叫做相关。
以上⾯哪个5级流⽔线为例，当第⼆条指令需要取操作数时，第⼀条指令的运算还没有完成，如果这时第⼆条指令就去取操作数，就会得到错误的结果。
所以，这时整条流⽔线不得不停顿下来，等待第⼀条指令的完成。
这是很讨厌的问题，特别是对于⽐较长的流⽔线，⽐如20级，这种停顿通常要损失⼗⼏个时钟周期。
⽬前解决这个问题的⽅法是乱序执⾏。
乱序执⾏的原理是在两条相关指令中插⼊不相关的指令，使整条流⽔线顺畅。
⽐如上⾯的例⼦中，开始执⾏第⼀条指令后直接开始执⾏第三条指令（假设第三条指令不相关），然后才开始执⾏第⼆条指令，这样当第⼆条指令需要取操作数时第⼀条指令刚好完成，⽽且第三条指令也快要完成了，整条流⽔线不会停顿。
什么是流水线技术pipeline
什么是流水线技术pipeline/uid-9185047-id-445171.html2010流水线(Pipeline)技术是目前广泛应用于微处理芯片(CPU)中的一项关键技术，但对许多非专业性的读者来说，这个名词过于抽象，加上P6(高能奔腾)应用的超流水线(Super Pipeline)技术，更令人一头雾水，不知所云。
本文以简单、形象、非专业的语言来介绍这一技术，加深大家对其的理解。
流水线技术指的是对CPU内部的各条指令的执行方式的一种形容，要了解它，就必须先了解指令及其执行过程。
一、计算机指令及其执行过程计算机指令，就是告诉CPU要做什么事的一组特定的二进制集合。
如果我们将CPU比喻成一个加工厂，那么，一条指令就好比一张订单，它引发了CPU__加工厂的一系列动作，最后分别得到了运算结果和产品。
那么，它们到底是怎样工作的呢?首先，要有一个接收订单的部门——CPU的取指令机构；其次，还要有完成订单的车间——CPU的执行指令机构。
在工厂中，一张订单上的产品被分成了许多道工序，而指令亦在CPU中转换成了许多条对应的微操作，依次完成它们，就执行完了整条指令。
二、执行指令的方式及流水线技术在低档的CPU中，指令的执行是串行的，简单地说，就是执行完了一条指令后，再执行下一条指令，好比我们上面提到的那个加工厂在创业之初，只有一间小车间及孤军奋战的老板，那么，当他接到一张订单之后，他必然忙于完成第1张订单，而没有能力去接第2张订单。
这样接订单→完成订单→接订单→……取指令→执行指令→取指令→……是一个串行的过程。
后来，老板发现接受订单不费太多时间，而且他还有了一个帮工，他们可以相互独立地工作，这样，老板就在完成上张订单产品的同时，接受下一张订单的订货。
这表现在CPU上就是取指令机构与执行指令机构的分开，这样从CPU整体来看，CPU在执行上条指令的同时，又在并行地取下条指令。
这在CPU技术上是一个质的飞跃，它使得CPU从串行工作变为并行工作，从而具有了流水线的雏型。
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≈
5分钟
做四道菜
8+分钟
20分钟
连续工作
每1+分钟上一道菜 ＜ 每5分钟上一道菜 ≈5倍
“超级流水线”
“超级流水线”技术 （Super Pipelining）
◦ 将五级流水线细分为更多的阶段，增加流水线的深度
◦ 提升时钟频率，从而提高指令吞吐率
五级流水线 S1
S2
S3
S4
S5
◦ 时钟周期：200ps+50ps=250ps
IMem Reg ALU DMem Reg
instruction 5
IMem Reg ALU DMem Reg
如果指令和数据放在同一个存储器中，则不能同时读存储器 解决方案2：指令和数据放在不同的存储器中
结构冒险（示例2）
时间（ps）0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400
切菜
炒菜
装盘
1分钟
2分钟
1分钟
1分钟
不平衡的流水线 流水线方式
非流水线方式
单独一道菜
8+分钟
＞
5分钟
做四道菜
14+分钟
20分钟
连续工作
每2+分钟上一道菜 ＜ 每5分钟上一道菜
≈2.5倍
流水线的调整
时钟周期=1分钟
洗菜
切菜1
切菜2
炒菜
装盘
1分钟
1分钟
1分钟
1分钟
1分钟
平衡的流水线 流水线方式
非流水线方式
本节主题
流水线的优化
北京大学 · 慕课 计算机组成
制作人：陆俊林
流水线的分析
洗菜
时钟周期=1分钟
切菜
炒菜
装盘
1分钟
单独一道菜 做四道菜 连续工作
1分钟
1分钟
1分钟
流水线方式
非流水线方式
4+分钟
≈
4分钟
7+分钟
16分钟
每1+分钟上一道菜 ＜ 每4分钟上一道菜
≈4倍
流水线的平衡性
洗菜
时钟周期=2分钟
IF ID EX MEM WB
lw …
IMem Reg ALU DMem Reg
instruction 1 IMem Reg ALU DMem Reg
instruction 2
IMem Reg ALU DMem Reg
bubble bubble bubble bubble bubble
instruction 3 instruction 4
IF ID EX MEM WB
lw …
IMem Reg ALU DMem Reg
instruction 1 IMem Reg ALU DMem Reg
instruction 2
IMem Reg ALU DMem Reg
IMem Reg ALU DMem Reg IMem Reg ALU DMem Reg
如果指令和数据放在同一个存储器中，则不能同时读存储器 解决方案1：流水线停顿（stall），产生空泡（bubble）
结构冒险（示例1）
时间（ps）0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400
十级流水线 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9 S10
◦ 时钟周期：100ps+50ps=150ps
流水线的深度
流水线的级数是越多越好吗？
◦ 否！
五级流水线 S1
S2
S3
S4
S5
◦ 时钟周期：200ps+50ps=250ps
◦ 单条指令的延迟：1250ps
◦ 流水线寄存器延迟所占比例：50ps / 250ps = 20%
IMem Reg ALU DMem Reg
instruction 5
IMem Reg ALU DMem Reg
如果指令和数据放在同一个存储器中，则不能同时读存储器
结构冒险（示例1）
时间（ps）0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400
IF ID EX MEM WB
IMem Reg ALU DMem Reg
instruction 1 IMem Reg ALU DMem Reg
instruction 2
IMem Reg ALU DMem Reg
instruction 3
IMem Reg ALU DMem Reg
instruction 4
lw …
IF ID EX MEM WB
IMem Reg ALU DMem Reg
instruction 1 IMem Reg ALU DMem Reg
instruction 2
IMem Reg ALU DMem Reg
instruction 3
IMem Reg ALU DMem Reg
instruction 4
1991年，R4000（64位）: 8级
1993年，Pentium: 5级 1995年，Pentium Pro: 12级
取指
译码
地址生成
执行
回写
IF1 IF2 IF3 ID1 ID2 RAT ROB DIS EX WB RR RET
1997年，ARM9: 5级 2002年，ARM11: 8级
取指
译码
① 结构冒险
◦ 所需的硬件部件正在为之前的指令工作
② 数据冒险
◦ 需要等待之前的指令完成数据的读写
③ 控制冒险
◦ 需要根据之前指令的结果决定下一步的行为
结构冒险（示例1）
时间（ps）0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400
lw …
十级流水线 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9 S10
◦ 时钟周期：100ps+50ps=150ps
◦ 单条指令的延迟：1500ps
◦ 流水线寄存器延迟所占比例：50ps / 150ps = 33%
处理器流水线深度的变化
1986年，R2000: 5级
1988年，R3000: 5级
2010年，Cortex-A9：11级
2013年，Core i7(Haswell)：14级
2013年，Cortex-A57：15级
本节小结
流水线的优化
北京大学 · 慕课 计算机组成
制作人：陆俊林
本节主题
流水线的“冒险”
北京大学 · 慕课 计算机组成
制作人：陆俊林
“冒险”（Hazard）
阻止下一条指令在下一个时钟周期开始执行的情况
取指1 取指2 译码
执行
访存
写回
发射 执行1 执行2 执行3 写回
2004年，Pemtium 4(Prescott)：31级
2006年，Core 2 Duo(Merom)：14级
2008年，Core i7(Nehalem)：16级
2009年，Cortex-A8：13级
2011年，Cortex-A15：15级