【正文】 4條指令重疊執(zhí)行 取指 1 計算地址 1 取操作數(shù) 1 計算存結果 1 取指 2 計算地址 2 取操作數(shù) 2 計算存結果 2 取指 3 計算地址 3 取操作數(shù) 3 計算存結果 3 取指 4 計算地址 4 取操作數(shù) 4 計算存結果 4 ?如果每個部件完成操作所需的時間為 T，每條指令執(zhí)行的時間為 2T。因此，每隔 T時間就能到一條指令的處理結果。相當于 處理器的速度提高一倍。 ?4條指令重疊執(zhí)行時，將一條指令分為 4段。若每段的執(zhí)行時間為 t,執(zhí)行一條指令的時間為 4t，每隔 t時間就能得到一條指令的處理結果， 平均處理速度提高 4倍。 ?在多段流水線中，開始流水線為空，最高的處理速率要在 流水線裝滿的條件 下才能達到。 流水線技術 流水線技術 ● 計算機的并行處理技術主要有三種形式： 時間并行；空間并行；時間并行 +空間并行。 流水線工作原理 ● 流水線技術： 計算機中的流水線技術與工廠中的流水裝配線類似。 ①將執(zhí)行一條指令需完成的操作分成若干子操作； ②每個子操作由專門部件完成； ③各子操作并行工作。由于子操作并行工作，提高了計算 機的執(zhí)行速度。 （注意 :完成一條指令所需要的時間并沒有變。） 流水線技術 流水線技術 ● 計算機的并行處理技術主要有三種形式： 流水線工作原理 時間并行 指時間重疊，即多個處理過程在時間上相互錯開，輪流重疊地使用同一套硬件設備的各個部分，以加快硬件周轉而贏得速度。 空間并行 指資源重復，在并行性概念中引入空間因素，以 “ 數(shù)量取勝 ” 為原則來大幅度提高計算機的處理速度。 時間并行 +空間并行 指時間重疊和資源重復的綜合應用，既采用時間并行性又采用空間并行性。 流水線技術 ● 非流水線時空圖 流水線工作原理 空間 S I1 I2 WB I1 I2 EX I1 I2 ID I1 I2 IF I1 I2 時間 T 1 2 3 4 5 6 7 8 流水線技術 若指令周期包含四個子過程：取指令 (IF)、指令譯碼 (ID)、執(zhí)行運算(EX)、結果回寫 (WB)，每個子過程稱為過程段 (Si)，其執(zhí)行過程如下： 其中下標 1表示第 1條指令，下標 2表示第 2條指令?？梢钥闯?，程序是按指令的順序執(zhí)行完一條再執(zhí)行下一條的。 未采用流水線技術的計算機中，執(zhí)行程序是按順序的方式進行的，即程序中各條機器指令是按順序串行執(zhí)行的。 1 2 3 4 5 6 7 8 空間 S I1 I5 WB I1 I5 EX I1 I5 ID I1 I4 I5 IF I1 I5 時間 T I2 I3 I4 I2 I3 I2 I3 I4 I2 I3 I4 I2 I3 I4 ● 流水線工作原理 流水線技術 流水線時空圖 流水線相關問題 流水線技術 流水線要保證高效運行 ， 就需要流水充滿 。 由于 程序編譯原因 或者 存儲器無法連續(xù)提供流動所需的指令和數(shù)據(jù) 時 ，會出現(xiàn)流水線不能連續(xù)工作 。 [例如 ] 4級流水線中 ， 如果第 2條指令的操作數(shù)地址是第 1條指令的處理結果 ， 那么第 2條指令的取操作數(shù)比須等待 t時間才能進行 。 否則取得的結果是錯誤的 ， 這種情況稱為數(shù)據(jù)相關 。 取指 1 計算地址 1 取操作數(shù) 1 計算存結果 1 取指 2 計算地址 2 取操作數(shù) 2 計算存結果 2 取指 3 計算地址 3 取操作數(shù) 3 計算存結果 3 根據(jù)數(shù)據(jù)存放在寄存器中還是存儲器中 ， 稱為 寄存器數(shù)據(jù)相關 或 存儲器數(shù)據(jù)相關 。 ?為解決這一問題 ， 設置相關的專用通路 。 當發(fā)生數(shù)據(jù)相關時 ， 指令 2的取操作數(shù)不去存儲器中去操作數(shù) ， 而是直接通過專用通路得到操作數(shù) 。 取指 1 計算地址 1 取操作數(shù) 1 計算存結果 1 取指 2 計算地址 2 取操作數(shù) 2 計算存結果 2 ?數(shù)據(jù)不相關 時 ， 仍去寄存器或存儲器中取操作數(shù) ， 增加了控制的復雜性 。 ?由于計算機中的指令較為復雜 ， 條件各異 ， 執(zhí)行時間和流水級數(shù)不同 ， 相關情況各異 ， 不可避免的條件產(chǎn)生的流水線不能連續(xù)的情況 ， 稱為 流水線阻塞 或 產(chǎn)生 “ 空泡 ” 。 流水線相關問題 ● 兩級流水線不會有數(shù)據(jù)相關問題。 流水線技術 流水線相關問題 定義： 資源相關是指多條指令進入流水線后在同一機器時鐘周期內爭用同一個功能部件所發(fā)生的沖突。 解決辦法 （ 1）發(fā)生沖突的指令延遲一個時鐘周期后再啟動； （ 2）增設一個存儲器，存儲相應指令和數(shù)據(jù)。 ● 資源相關 流水線技術 流水線相關問題 流水線技術 ● 數(shù)據(jù)相關 定義： 在一個程序中，如果必須等前一條指令執(zhí)行完畢后，才能執(zhí)行后一條指令，那么這兩條指令就是數(shù)據(jù)相關的。 解決辦法 ?后推法 ：暫停后繼的指令輸入，等待 3個時鐘周期后，當相應指令完成寫入后再繼續(xù)執(zhí)行； ?設置相關的專用通路： 在運算部件中設置一些數(shù)據(jù)寄存區(qū)及一些專用通路，使前條指令的運算結果，通過專用通路直接送入后繼的運算部件； ?改變流水的順序 ：當多條指令產(chǎn)生數(shù)據(jù)相關時，可以不停止流水，而是將后續(xù)不產(chǎn)生數(shù)據(jù)相關的指令提前執(zhí)行。 ● 定義： 控制相關沖突是由轉移指令引起的。 解決方法 (1)與數(shù)據(jù)相關問題解決方法相同，采用后推法； (2)分枝預測法。 流水線相關問題 流水線技術 控制相關 流水的實現(xiàn)與控制 流水線技術 ● 分枝（ branch）是指程序運行時需要改變的節(jié)點。 ● 分枝預測法是用硬件方法來實現(xiàn)，依據(jù)指令過去的行為來預測將來的行為。 ● 分枝預測和推測執(zhí)行是 CPU動態(tài)執(zhí)行技術中的主要內容，動態(tài)執(zhí)行是目前 CPU主要采用的先進技術之一。 ● 第 2章 微處理器 ● —— 重要知識點 小結 8086的結構特點 ● CPU ● 寄存器組 ● 外部引腳及功能 8086CPU的工作時序 ● 基本時序 ● 最小模式 最大模式 80x86微處理器及其發(fā)展 80286微處理器 80386微處理器 80486微處理器 Pentium微處理器 流水線技術 ● 流水線工作原理 ● 流水線相關問題 ● 流水的實現(xiàn)與控制 作業(yè) P391,2,4 典型的總線周期 RQ/GT0 RQ/GT1 TEST NMI INTA S0 S0 S0 READY READY RESET MN / MX 控制總線 地址總線 A19～ A0 數(shù)據(jù)總線 D15～ D0 BHE A19～ A16 AD15 ～ AD 0 DT / R DEN 8086 CPU STB 8282 OE T OE 8286 8284A 系統(tǒng)總線 S0 CLK S1 MROC S2 MWTC DEN IORC DT/R IOWC ALE INTA 8288 BHE CLK 最大模式 最大模式總線形成