标量处理机

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第五章 标量处理机
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5.2 流水线处理机
一、流水线工作原理 1．流水线 下面一条简单的流水线及其可能的进一步细分。
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5.2 流水线处理机
细分
例：
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5.2 流水线处理机
2．时空图 描述流水线的工作，最常用的方法是采用“时空图”
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
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；
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，每个子任务由一个专门的功能部件来实现。因 此，流水线实际上是把一个大的功能部件分解为多个
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5.2 流水线处理机
独立的功能部件，并依靠多个功能部件并行工作来缩短
程序的执行时间。在流水线中，一个子任务通常称为一 个子过程，或流水线中的一个功能段。
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。
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。
3．在流水线的每一个功能部件的后面都要有一个缓冲寄 存器，或称为锁存器、闸门寄存器等，用于保存本段的 执行结果。这是因为流水线中每一段的延迟时间一般不 可能都相等，因此，在段与段之间传送子任务时，必须 通过缓冲寄存器。当某一个功能段的执行时间变化范围 比较大时，要设置多个缓冲寄存器。
4．流水线中各段的时间应尽量相等，否则将引起“堵塞”、
“断流”等。执行时间长的一段将成为整个流水线的
“瓶颈”，这时，流水线中的各个功能部件将不能充分
发挥作用。因此，在流水线设计中，当遇到“瓶颈”时，
必须
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5.2 流水线处理机
采取办法解决。 5．流水线需要有“装入时间”和“排空时间”。只有流水 线完全充满时，整个流水线的效率才能得到充分发挥。
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 ②设置专用数据通路（如图5.15所示）。 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
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5.2 流水线处理机
5. 标量/向量流水----数据表示不同 6. 同步/异步流水——对流水线的控制方式不同 7 顺序/乱序流水——输出与输入任务的顺序是否
相同
三、流水线的性能分析 1． 吞吐率--单位时间内产生的结果数。
tp
n Tk
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5.1 先行控制技术
对于条件转移，相关最严重的情况发生在条件码是 由上一条指令产生的。
下面是条件转移对程序执行速度影响的分析：
① 如果转移不成功——运算器等待一个时钟周期 ② 如果转移成功
如果L在先行指令缓冲栈中，则条件转移对程序执行的 影响是：
a．作废k+2到L-1之间的所有指令； b．运算器等待一个时钟周期。
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5.2 流水线处理机
（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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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
2．主存操作数相关 例如：k: add [0001],ax k+1: mov bx, [0001]
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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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5.1 先行控制技术
可以从两个方面来开发处理机内部的并行性。
1）空间并行性： 即在一个处理机内设置多个独立的操作部件，并让
这些操作部件并行工作，这种处理机称为多操作部件处 理机和超标量处理机
2）时间并行性： 就是采用流水线技术。流水线技术是一种非常经
济、对提高处理机的运算速度非常有效的技术。采用流 水线技术可以不增加硬件或只需要增加少量硬件就能够 把处理机的运算速度提高几倍，它是目前使用非常普遍 的一种并行处理方式。
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：
1．采用先行控制技术的处理机结构
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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。
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5.1 先行控制技术
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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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。
同功能。 P283 图5.32 4．静态流水线与动态流水线——对多功能流水线而言 静态：一段时间内一种固定方式连接，实现一种固定功能； 动态：一段时间内，各段按不同方式连接，同时执行多种
功能。 P284 图5.33, 5.34
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第五章 标量处理机
如果L不在先行指令缓冲栈中，则条件转移对程序执行 的影响是：
c．作废先行指令缓冲栈中的所有指令； d．运算器至少等待取指周期（取L）和一个时钟周期。
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5.1 先行控制技术
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5.1 先行控制技术
3．转移预测技术 （1） 软件"猜测法"
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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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）
B．如果转移不成功，即猜测错误--作废先行指令缓冲栈 和先行操作栈中的所有指令，重新开始取指令L。
（3） 两个先行指令缓冲栈
分析到条件转移指令时, 按成功转移的方向预取指令
到先行目标缓冲栈中。先行指令缓冲栈仍然按照转移不
成功的方向继续预取指令。
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5.2 流水线处理机
二、流水线的分类 1．线性流水线与非线性流水线
非线性流水线的“预约表”： p.280图 5.29
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5.2 流水线处理机
2．流水线的级别——三种级别 功能部件级：运算操作流水线 处理机级：指令流水线 处理机间级：宏流水线