标量处理机PPT课件
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2．主存操作数相关 例如：k: add [0001],ax k+1: mov bx, [0001]
2019/8/20
第五章 标量处理机
第8 页
5.1 先行控制技术
在现代计算机中，中间结果一般写入寄存器，所以该类 相关发生不多。 解决方法：推后分析法。
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第五章 标量处理机
第9 页
5.1 先行控制技术
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第五章 标量处理机
第2 页
5.1 先行控制技术
2019/8/20
第五章 标量处理机
第3 页
5.1 先行控制技术
二、先行控制技术 上面的处理存在两个问题： 问题一： 在上面的讨论中有一个重要假设：每个阶段的执行 时间都为n。如果不等，则有些阶段会出现空闲。 问题二： 主存访问冲突。例如，取指令k+1时，正在分析指 令k，而分析指令k时可能也需要取操作数！ 要解决上述问题，必须采用先行控制技术。 先行控制技术的关键是缓冲技术和预处理技术。
1．采用先行控制技术的处理机结构
2019/8/20
第五章 标量处理机
第4 页
百度文库
5.1 先行控制技术
2．四个先行缓冲栈 （1） 先行指令缓冲栈——缓冲主存和指令分析器 （2） 先行操作栈——存放经过指令分析器预处理后的指
令。这种预处理内容很多。
2019/8/20
第五章 标量处理机
第5 页
5.1 先行控制技术
控制相关：控制相关是指由条件分支指令、转子程序指 令、中断等引起的相关。
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第五章 标量处理机
第7 页
5.1 先行控制技术
解决数据相关的一般方法： ①推后分析法 ②设置专用路径
1．指令相关 例如： k: STORE R1, k+1 k+1: … 在流水线或采用先行控制技术的处理机中，指令相关严 重影响效率。 解决方法：运行中不能修改指令。
无条件转移指令和一般条件转移指令可以在 指令分析器就执行完成，不需要送入先行操作栈和指令 执行部件。因此，通常把这种指令称为“吸收型”指令。
1. 无条件转移——为简单起见，只讨论向后转移。
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第五章 标量处理机
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5.1 先行控制技术
无条件转移指令在程序中的使用情况一般如下：
k：
k＋1： JMP L
…
…
L：
…
无条件转移指令一般能够在指令分析器中就执行完 成，形成转移地址L同时送入先行程序计数器PC1；和现 行程序计数器PC中，指令缓冲栈按照PC1的指示重新开 始向存储控制器申请取指令。
如下图所示,如果转移距离比较远，指令L不在先行
指令缓冲栈中，则要将先行指令缓冲栈中的所有指令全
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第五章 标量处理机
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5.1 先行控制技术
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第五章 标量处理机
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5.1 先行控制技术
四、控制相关
控制相关是指因为程序的执行方向可能被改变而引 起的相关。可能改变程序执行方向的指令通常有无条件 转移、一般条件转移、复合条件转移、子程序调用、中 断等。 有些资料上把上一节中介绍的数据相关称为 局部相关，而把本节将要介绍的控制相关称为全局相关。 这是因为数据相关影响到的仅仅是本条指令附近的少数 几条指令，而控制相关影响的范围要大得多，它可能引 起程序执行方向的改变。
第五章 标量处理机
1．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。标量处理机是一种最通用，也是 使用最普遍的处理机。
2．标量处理机中提高指令执行速度的主要途径有：
①提高主频；②缩短CPI——设计更好的算法和功 能部件；③指令级并行——主要方法，又可分为：
a．流水线技术和超流水线技术；
相关：所谓相关（correlation）是指在一段程序的相 近指令之间有某种关系，这种关系可能影响指令的重叠 执行。通常，把相关分为两大类。
数据相关：在执行本条指令的过程中，如果用到的指 令、操作数、变址偏移量等正好是前面指令的执行结果， 则必须等待前面的指令执行完成，并把结果写到生存或 通用寄存器中之后，本条指令才能开始执行，这种相关 称为数据相关。
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第五章 标量处理机
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5.1 先行控制技术
２．条件转移
在采用先行控制方式的处理机中，条件转移 对程序执行速度造成的影响很大。先行控制部件的缓冲 深度越深，造成的速度损失也可能越大。
（3）先行读数栈 （4）后行写数栈——如果指令有要写回主存的数据，先
写到后行写数栈，指令继续执行。后行写数栈能在主 存有空闲时，再写入主存。
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第五章 标量处理机
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5.1 先行控制技术
先行控制技术和和指令的重叠执行方式有不同：在 指令分析器和运算器执行的两条指令可能不相邻！
三、数据相关
例如将M型指令（如MOV AX，[0001]）转换为R型指令， 具体过程如下：
a)将主存地址0001通知先行读数栈，同时用先行读数栈 的寄存器编号代替0001主存地址，预处理后的指令进 入先行操作栈。
b)对于R型指令，不需任何处理，直接进入先行操作栈。 因此，先行操作栈在指令分析器和运算器之间提供缓 冲。
部作废，指令分析器要等待一个“取指令L”周期之后
才
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第五章 标量处理机
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5.1 先行控制技术
能开始“分析L”。如果转移的距离比较近，有可能指令 L已经被取到了指令缓冲践中。这时，只要作废先行指令 缓冲栈中的部分指令，即作废从k+2到L-1之间的所有指 令。指令分析器在完成“分析k+1”之后，可以接着进行 “分析L”，即指令分析器仍然可以不停顿地连续工作。
3．通用寄存器数据相关
例如：k: add ax ,bx
k+1: mov cx, ax
在现代计算机中，该类相关发生很多。
解决方法：①推后分析法——降低运算速度为代价解决
寄存器相关
所示）。
②设置专用数据通路（如图5.15
4．变址相关
例如： k: ADD BX，AX
k+1: MOV CX，[BX]
解决方法：推后分析法和设置专用数据通路
b．超标量技术 ；
c．VLIW；
5.1 先行控制技术 5.2 流水线处理机 5.3 超标量与超流水处理机
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第五章 标量处理机
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5.1 先行控制技术
一、指令的重叠执行 设一条指令的执行分成三个阶段：取指、分析和执
行，且每个阶段的执行时间都为n。则，可有下面的三 种执行方式： 1．顺序执行 2．一次重叠 3．二次重叠 （如图5.2所示,p.254）
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在现代计算机中，中间结果一般写入寄存器，所以该类 相关发生不多。 解决方法：推后分析法。
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5.1 先行控制技术
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5.1 先行控制技术
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第五章 标量处理机
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5.1 先行控制技术
二、先行控制技术 上面的处理存在两个问题： 问题一： 在上面的讨论中有一个重要假设：每个阶段的执行 时间都为n。如果不等，则有些阶段会出现空闲。 问题二： 主存访问冲突。例如，取指令k+1时，正在分析指 令k，而分析指令k时可能也需要取操作数！ 要解决上述问题，必须采用先行控制技术。 先行控制技术的关键是缓冲技术和预处理技术。
1．采用先行控制技术的处理机结构
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2．四个先行缓冲栈 （1） 先行指令缓冲栈——缓冲主存和指令分析器 （2） 先行操作栈——存放经过指令分析器预处理后的指
令。这种预处理内容很多。
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控制相关：控制相关是指由条件分支指令、转子程序指 令、中断等引起的相关。
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5.1 先行控制技术
解决数据相关的一般方法： ①推后分析法 ②设置专用路径
1．指令相关 例如： k: STORE R1, k+1 k+1: … 在流水线或采用先行控制技术的处理机中，指令相关严 重影响效率。 解决方法：运行中不能修改指令。
无条件转移指令和一般条件转移指令可以在 指令分析器就执行完成，不需要送入先行操作栈和指令 执行部件。因此，通常把这种指令称为“吸收型”指令。
1. 无条件转移——为简单起见，只讨论向后转移。
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5.1 先行控制技术
无条件转移指令在程序中的使用情况一般如下：
k：
k＋1： JMP L
…
…
L：
…
无条件转移指令一般能够在指令分析器中就执行完 成，形成转移地址L同时送入先行程序计数器PC1；和现 行程序计数器PC中，指令缓冲栈按照PC1的指示重新开 始向存储控制器申请取指令。
如下图所示,如果转移距离比较远，指令L不在先行
指令缓冲栈中，则要将先行指令缓冲栈中的所有指令全
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5.1 先行控制技术
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5.1 先行控制技术
四、控制相关
控制相关是指因为程序的执行方向可能被改变而引 起的相关。可能改变程序执行方向的指令通常有无条件 转移、一般条件转移、复合条件转移、子程序调用、中 断等。 有些资料上把上一节中介绍的数据相关称为 局部相关，而把本节将要介绍的控制相关称为全局相关。 这是因为数据相关影响到的仅仅是本条指令附近的少数 几条指令，而控制相关影响的范围要大得多，它可能引 起程序执行方向的改变。
第五章 标量处理机
1．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。标量处理机是一种最通用，也是 使用最普遍的处理机。
2．标量处理机中提高指令执行速度的主要途径有：
①提高主频；②缩短CPI——设计更好的算法和功 能部件；③指令级并行——主要方法，又可分为：
a．流水线技术和超流水线技术；
相关：所谓相关（correlation）是指在一段程序的相 近指令之间有某种关系，这种关系可能影响指令的重叠 执行。通常，把相关分为两大类。
数据相关：在执行本条指令的过程中，如果用到的指 令、操作数、变址偏移量等正好是前面指令的执行结果， 则必须等待前面的指令执行完成，并把结果写到生存或 通用寄存器中之后，本条指令才能开始执行，这种相关 称为数据相关。
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5.1 先行控制技术
２．条件转移
在采用先行控制方式的处理机中，条件转移 对程序执行速度造成的影响很大。先行控制部件的缓冲 深度越深，造成的速度损失也可能越大。
（3）先行读数栈 （4）后行写数栈——如果指令有要写回主存的数据，先
写到后行写数栈，指令继续执行。后行写数栈能在主 存有空闲时，再写入主存。
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先行控制技术和和指令的重叠执行方式有不同：在 指令分析器和运算器执行的两条指令可能不相邻！
三、数据相关
例如将M型指令（如MOV AX，[0001]）转换为R型指令， 具体过程如下：
a)将主存地址0001通知先行读数栈，同时用先行读数栈 的寄存器编号代替0001主存地址，预处理后的指令进 入先行操作栈。
b)对于R型指令，不需任何处理，直接进入先行操作栈。 因此，先行操作栈在指令分析器和运算器之间提供缓 冲。
部作废，指令分析器要等待一个“取指令L”周期之后
才
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第五章 标量处理机
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5.1 先行控制技术
能开始“分析L”。如果转移的距离比较近，有可能指令 L已经被取到了指令缓冲践中。这时，只要作废先行指令 缓冲栈中的部分指令，即作废从k+2到L-1之间的所有指 令。指令分析器在完成“分析k+1”之后，可以接着进行 “分析L”，即指令分析器仍然可以不停顿地连续工作。
3．通用寄存器数据相关
例如：k: add ax ,bx
k+1: mov cx, ax
在现代计算机中，该类相关发生很多。
解决方法：①推后分析法——降低运算速度为代价解决
寄存器相关
所示）。
②设置专用数据通路（如图5.15
4．变址相关
例如： k: ADD BX，AX
k+1: MOV CX，[BX]
解决方法：推后分析法和设置专用数据通路
b．超标量技术 ；
c．VLIW；
5.1 先行控制技术 5.2 流水线处理机 5.3 超标量与超流水处理机
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第五章 标量处理机
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5.1 先行控制技术
一、指令的重叠执行 设一条指令的执行分成三个阶段：取指、分析和执
行，且每个阶段的执行时间都为n。则，可有下面的三 种执行方式： 1．顺序执行 2．一次重叠 3．二次重叠 （如图5.2所示,p.254）