計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第15講(已修改)
2025-08-13 14:04 本頁面
【正文】 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) （第 15講） 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 第二章 指令系統(tǒng) 第三章 存儲系統(tǒng) 第四章 輸入輸出系統(tǒng) 第五章 標量處理機 第六章 向量處理機 第七章 互連網(wǎng)絡 第八章 并行處理機和 多處理機 第五章 標量處理機 指令的重疊執(zhí)行方式 流水線技術(shù) 超標量處理機 超流水線處理機 超標量超流水線處理機 只有標量數(shù)據(jù)表示和標量指令系統(tǒng)的處理機稱為標量處理機 提高指令執(zhí)行速度的主要途徑： (1) 提高處理機的工作主頻 (2) 采用更好的算法和設(shè)計更好的功能部件 (3) 采用指令級并行技術(shù) 三種指令級并行處理機： (1) 流水線處理機和超流水線 (Super pipelining)處理機 (2) 超標量 (Superscalar)處理機 (3) 超長指令字 (VLIW: Very Long Instruction Word)處理機 指令的重疊執(zhí)行方式 順序執(zhí)行方式 執(zhí)行 n條指令所用的時間為： 如果每段時間都為 t， 則執(zhí)行 n條指令所用的時間為： T=3nt ?????niiii tttT1( ）執(zhí)行分析取指令取指令 k 分析 k 執(zhí)行 k 取指令 k+1 分析 k+1 執(zhí)行 k+1 主要優(yōu)點： 控制簡單，節(jié)省設(shè)備。 主要缺點： 執(zhí)行指令的速度慢，功能部件的利用率很低。 一次重疊執(zhí)行方式 一種最簡單的流水線方式 如果兩個過程的時間相等，則執(zhí)行 n條指令的時間為： T=(1+2n)t 取指 分析 執(zhí)行 取指 分析 執(zhí)行 取指 分析 執(zhí)行 主要優(yōu)點： 指令的執(zhí)行時間縮短 功能部件的利用率明顯提高 主要缺點： 需要增加一些硬件 控制過程稍復雜 二次重疊執(zhí)行方式 如果三過程的時間相等，執(zhí)行 n條指令的時間為： T=(2+n)t 理想情況下同時有三條指令在執(zhí)行 處理機的結(jié)構(gòu)要作比較大的改變，必須采用先行控制方式 取指 k+2 分析 k+2 執(zhí)行 k+2 取指 k+1 分析 k+1 執(zhí)行 k+1 取指 k 分析 k 執(zhí)行 k 先行控制方式的原理 采用二次重疊執(zhí)行方式，必須解決兩個問題： (1) 有獨立的取指令部件、指令分析部件 和指令執(zhí)行部件 獨立的控制器： 存儲控制器、指令控制器、運算控制器 (2) 要解決訪問主存儲器的沖突問題 取指令、分析指令、執(zhí)行指令都可能要訪問存儲器 解決訪存沖突的方法： (1) 采用低位交叉存取方式 ： 這種方法不能根本解決沖突問題。 取指令、讀操作數(shù)、寫結(jié)果。 (2) 兩個獨立的存儲器 ： 獨立的指令存儲器和數(shù)據(jù)存儲器。 如果再規(guī)定，執(zhí)行指令所需要的操作數(shù)和執(zhí)行結(jié)果只寫到通用寄存器，那么，取指令、分析指令和執(zhí)行指令就可以同時進行。 在許多高性能處理機中，有獨立的指令 Cache和數(shù)據(jù)Cache。 這種結(jié)構(gòu)被稱為哈佛結(jié)構(gòu)。 (3) 采用先行控制技術(shù)。 先行控制技術(shù)的關(guān)鍵是緩沖技術(shù)和預處理技術(shù)。 緩沖技術(shù)是在工作速度不固定的兩個功能部件之間設(shè)置緩沖棧，用以平滑它們的工作。 在采用了緩沖技術(shù)和預處理技術(shù)之后，運算器能夠?qū)Ｐ挠跀?shù)據(jù)的運算，從而大幅度提高程序的執(zhí)行速度。 (2) 兩個獨立的存儲器 ： 獨立的指令存儲器和數(shù)據(jù)存儲器。 如果再規(guī)定，執(zhí)行指令所需要的操作數(shù)和執(zhí)行結(jié)果只寫到通用寄存器，那么，取指令、分析指令和執(zhí)行指令就可以同時進行。 在許多高性能處理機中，有獨立的指令 Cache和數(shù)據(jù)Cache。 這種結(jié)構(gòu)被稱為哈佛結(jié)構(gòu)。 (3) 采用先行控制技術(shù)。 先行控制技術(shù)的關(guān)鍵是緩沖技術(shù)和預處理技術(shù)。 緩沖技術(shù)是在工作速度不固定的兩個功能部件之間設(shè)置緩沖棧，用以平滑它們的工作。 在采用了緩沖技術(shù)和預處理技術(shù)之后，運算器能夠?qū)Ｐ挠跀?shù)據(jù)的運算，從而大幅度提高程序的執(zhí)行速度。 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) （第 16講） 第五章 標量處理機 先行控制技術(shù) 流水線技術(shù) 超標量處理機 超流水線處理機 超標量超流水線處理機 流水線技術(shù) 流水線工作原理 流水線的分類 線性流水線的性能分析 非線性流水線的調(diào)度技術(shù) 流水線技術(shù) 空間并行性： 設(shè)置多個獨立的操作部件 多操作部件處理機 超標量處理機 時間并行性： 采用流水線技術(shù)。 不增加或只增加少量硬件就能使運算速度提高幾倍 流水線處理機 超流水線處理機 流水線工作原理 簡單流水線 流水線的每一個階段稱為流水步、流水步驟、流水段、流水線階段、流水功能段、功能段、流水級、流水節(jié)拍等。` 分析器 分析 k+1 流水 鎖存器 執(zhí)行部件 執(zhí)行 k 流水 鎖存器 輸 入 輸 出 ?t1 ?t2 在每一個流水段的末尾或開頭必須設(shè)置一個寄存器，稱為流水寄存器、流水鎖存器、流水閘門寄存器等。會增加指令的執(zhí)行時間。 為了簡化，在一般流水線中不畫出流水鎖存器。 一種指令流水線 取指 形成操 作數(shù)地址 譯碼 取操 作數(shù) 執(zhí)行 保存 結(jié)果 一般 4至 12個流水段，等于及大于 8個流水段的稱為超流水線處理機 流水線的時空圖 一條簡單流水線的時空圖： 分析 k 分析 k+1 分析 k+2 分析 k+3 執(zhí)行 k 執(zhí)行 k+1 執(zhí)行 k+2 執(zhí)行 k+3 時間 空間 0 t1 t2 t3 t4 t5 一個浮點加法器流水線的時空圖 (由求階差、對階、尾數(shù)加和規(guī)格化 4個流水段組成 )： ED1 時間 空間 0 t1 t2 t3 t4 t5 ED2 ED3 ED4 ED5 EA1 EA2 EA3 EA4 EA5 MA1 MA2 MA3 MA4 MA5 NL1 NL2 NL3 NL4 NL5 t6 t7 t8 NL： 規(guī)格化 MA： 尾數(shù)加 EA： 對階 ED： 求階差 流水線的主要特點 只有連續(xù)提供同類任務才能充分發(fā)揮流水線的效率： 對于指令流水線：要盡量減少因條件分支造成的“斷流” 對于操作部件：主要通過編譯技術(shù)，盡量提供連續(xù)的同類操作 在流水線的每一個流水線段中都要設(shè)置一個流水鎖存器 時間開銷：流水線的執(zhí)行時間加長 是流水線中需要增加的主要硬件之一 各流水段的時間應盡量相等 流水線處理機的基本時鐘周期等于時間最長的流水段的時間長度 流水線需要有“裝入時間”和“排空時間” 流水線的分類 線性流水線與非線性流水線 流水線的各個流水段之間是否有反饋信號 線性流水線 (Linear Pipelining) 每個流水段都流過一次，且僅流過一次 非線性流水線 (Nonlinear Pipelining) 在流水線的某些流水段之間有反饋回路或前饋回路 線性流水線能夠用流水線連接圖唯一表示
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