第5章--重叠、 流水和向量处理机 ppt课件

一次重叠执行方式。
如果执行一条指令的两个过程的时间均相等，则执行n 条指令所用的时间为：
T＝(1＋2n）t
优点：一是指令的执行时间缩短了近二分之一，二是功 能部件的利用明显提高。
缺点：需要增加一些硬件，控制过程也要复杂一些。 例如，为了能够在执行第k条指令的同时，分析第k+1条 指令，必须再增加一个指令寄存器。用原来的指令寄存 器存放当前正在执行的第k条指令，而新增加的一个指 令寄存器存放新取出来的第k+1条指令。
在许多高性能处理机内部，一级Cache一般都 设置有两个，其中，一个是指令Cache，另一个是 数据Cache。这样，可以减少取指令和读操作数的 访问冲突。这种结构被称为哈佛结构。
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第 5 章 重叠、流水和向量处理机
– 指令和数据仍然混合存放在同一个主存储器内，采 用第三章中介绍的低位交叉存取方式，在一个存储 器周期中可以访问多个存储单元。如果处理机同时 执行的取指令和读操作数所访问的不是同一个存储 体，则可以实现指令重叠执行。如果正好访问同一 个存储体，则指令无法重叠执行。
M
M
M
M
0
1
…2 … …3 …
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第 5 章 重叠、流水和向量处理机
– 在处理机内部设置一定容量的指令缓冲寄存器，把 指令分析器所需要的指令事先取到指令缓冲寄存器 中，而不必访问主存储器。这样，就能够使取指令、 分析指令和执行指令重叠起来执行。 如果指令分析器每次取指令都能够在先行指令缓冲 寄存器中得到，则取指令只需要很短的时间就能够 完成，因此，可以把取指令与分析指令合并到一起， 从而构成如图所示的一次重叠执行方式。
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第 5 章 重叠、流水和向量处理机
解决办法
– 把主存储器分成两个独立编址的存储器，一个专门 存放指令，称为指令存储器，另一个专门存放操作 数，称为数据存储器。两个存储器可以同时独立访 问；这样，就解决了取指令和读操作数的冲突。如 果再规定，在执行指令阶段产生的运算结果只写到 通用寄存器中，不写到主存，那么，取指令、分析 指令和执行指令就可以同时进行。
采用顺序执行方式执行n条指令所用的时间为：
如果取指令、分析指令和执行指令的时间都相等，每段 的时间都为t，则执行n条指令所用的时间为：
T＝3nt
优点：是控制简单，节省设备。
缺点：一是处理机执行指令的速度慢。只有当上一条指 令全部执行完之后，下一条指令才能够开始执行。
源自文库
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第 5 章 重叠、流水和向量处理机
k： 存 通用寄存器， k+1； (通用寄存器)→k+1
k+1: ……
由于在“执行k”的末尾才形成第k+1条指令，按照一次重 叠的时间关系，“分析k+1”所分析的是早已取进指缓的第 k+1条指令的旧内容，这就会出错。第k、k+1条指令就不 能同时解释，我们称此时这两条指令之间发生了“指令相 关”。 特别是当指令缓冲器可缓冲存放n条指令情况下， 执行到第k条指令时，与已预取进指缓的第k+1到第k+n条 指令都有可能发生指令相关。指缓容量越大，或者说指令
– 通过控制机构采用同时解释两条、多条甚至整段程 序来加快（重叠、流水）
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第 5 章 重叠、流水和向量处理机
5.1 重叠解释方式
5.1.1 基本思想和一次重叠 指令的执行过程可以被分解为相互独立的几个阶段，具 体的分法要根据各种处理机的情况而确定。
取指--按照指令计数器的内容访问主存储器，取出一条指
采用二次重叠执行方式，在处理机中同时有三条指令 分别在取指令、分析和执行。要使指令能够正确地重 叠执行，必须解决如下两个问题： 第一，为了实现取指令，分析指令和执行指令同时 进行，需要有独立的取指令部件、指令分析部件和指 令执行部件。因此，要把顺序执行方式中的一个集中 的指令控制器，分解成三个相对独立的控制器，它们 是：存储控制器，简称存控；指令控制器，简称指控； 运算控制器，简称运控。 第二，要解决访问主存储器的冲突问题。例如，取 指令时要访问主存储器，分析指令时可能要取操作数， 执行指令时可能要向主存储器写运算结果。常规的主 存储器体系结构无法实现指令的重叠执行。
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第 5 章 重叠、流水和向量处理机
二次重叠执行方式。
如果执行一条指令的三过程的时间相等，则执行n条指令 所用的时间为：
T＝(2＋n）t
采用二次重叠执行方式能够使指令的执行时间缩短近三 分之二，这是一种理想的指令执行方式。在正常情况下， 处理机中同时有三条指令在执行。
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图 5.4 当第k条指令是条件转移时ppt课件
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3、如果“分析k+1”所要读取的操作数正好是 “执行k”的结果，则它们不能重叠执行，这种 情况称为数据相关。
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如果采用Von Neumann型机器上指令可修改的办法经 第k条指令的执行来形成第k+1条指令，
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第 5 章 重叠、 流水和向量处理机
5.1 重叠解释方式 5.2 流水方式 5.3 向量的流水处理与向量流水处理机 5.4 指令级高度并行的超级处理机
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第 5 章 重叠、流水和向量处理机
计算机组成设计的基本任务：加快机器语言的 解释
– 提高每条指令的执行速度
令送到指令寄存器。
分析--是指对指令的操作码进行译码，按照给定的寻址方
式和地址字段中的内容形成操作数的地址，并用这个地址
读取操作数（主存储器或寄存器中）。
执行--是指根据操作码的要求，完成指令规定的功能，在
此期间，要把运算结果写到寄存器或主存储器中。
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1、顺序执行方式
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第 5 章 重叠、流水和向量处理机
实际上要达到这个速度还有许多困难，主要有如下三 个问题需要解决：
1、现代计算机的指令系统是很复杂的，各种类型 的指令，其“分析”和“执行”所需要的时间相差往 往很大。因此，指令分析部件和指令执行部件经常要 相互等待，从而造成功能部件的浪费。
2、当出现转移或转子程序指令时，程序的执行过 程就不是顺序的。这时，在先行指令缓冲器中预取的 指令和已经分析完成的下一指令等都可能要作废。