【正文】 流水線的相關(guān)問題 計算機組成原理 西北工業(yè)大學計算機學院 68 Pentium處理器 Microsystems公司的SPARC系統(tǒng) CPU的新技術(shù) 計算機組成原理 西北工業(yè)大學計算機學院 69 Pentium處理器 計算機組成原理 西北工業(yè)大學計算機學院 70 Microsystems公司的 SPARC系統(tǒng) 計算機組成原理 西北工業(yè)大學計算機學院 71 CPU的新技術(shù) 超流水技術(shù)：流水線的功能段繼續(xù)細分 VLIW技術(shù)：多條能夠并行執(zhí)行的指令合并成一條具有多個操作碼的指令 超標量技術(shù)：重復設置多套流水線 MMX技術(shù)： MMX指令集，具處理多媒體數(shù)據(jù)功能 HT技術(shù)：利用特殊的硬件指令，把處理器內(nèi)部的多個邏輯內(nèi)核模擬成多個獨立的物理芯片，使單個處理器能享用 “ 線程 ” 級的并行計算技術(shù) 多核技術(shù)： 在一枚處理器中集成兩個或多個完整的計算引擎 (內(nèi)核 )。 ：當執(zhí)行轉(zhuǎn)移指令時，根據(jù)轉(zhuǎn)移條件是否發(fā)生來控制指令的執(zhí)行順序。 ：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，這兩條指令就是數(shù)據(jù)相關(guān)。 取指 譯碼 取數(shù) 執(zhí)行 寫回 流水入口 流水出口 IF ID OF EX WB △ t △ t △ t △ t △ t IFK IDK OFK EXK WBK IFK+1 IDK+1 OFK+1 EXK+1 WBK+1 IFK+2 IDK+2 OFK+2 EXK+2 WBK+2 IFK+3 IDK+3 OFK+3 EXK+3 WBK+3 IFK+4 IDK+4 OFK+4 EXK+4 WBK+4 △ t 計算機組成原理 西北工業(yè)大學計算機學院 65 計算機組成原理 西北工業(yè)大學計算機學院 66 計算機組成原理 西北工業(yè)大學計算機學院 67 ：指多條指令進入流水線后在同一機器時鐘周期內(nèi)爭用同一個功能部件所發(fā)生的沖突。 ?時間并行＋空間并行：時間重疊和資源重復的綜合應用。 并行性的三種形式： ?時間并行：即使用流水處理部件，時間重疊。 ?并發(fā)行：兩個以上事件在同一間隔內(nèi)發(fā)生。 并行性的兩種含義： ?同時性：兩個以上事件在同一時刻發(fā)生。 微程序設計方法 計算機組成原理 西北工業(yè)大學計算機學院 59 微程序控制器設計步驟 計算機組成原理 西北工業(yè)大學計算機學院 60 舉例：模型機的微程序設計 計算機組成原理 西北工業(yè)大學計算機學院 61 計算機組成原理 西北工業(yè)大學計算機學院 62 標準的馮 第二級水平微程序是由第一級調(diào)用的，用以解釋垂直微程序并實現(xiàn)相應的數(shù)據(jù)通路操作。垂直微程序存放于微程序存儲器中。 計算機組成原理 西北工業(yè)大學計算機學院 56 微程序設計方法 1 水平型微指令與微程序設計 計算機組成原理 西北工業(yè)大學計算機學院 57 微程序設計方法 2 垂直型微指令與微程序設計 計算機組成原理 西北工業(yè)大學計算機學院 58 3 毫微程序設計 （ 1）毫微程序是用以解釋微程序的一種程序，因此組成毫微程序的毫微指令是負責解釋微指令的微指令。 (B)無條件轉(zhuǎn)向的后繼微地址，可以由現(xiàn)行微指令字的下地址字段確定。 計算機組成原理 西北工業(yè)大學計算機學院 55 綜合上述，后繼微地址的形成是設計微程序控制的關(guān)鍵問題之一。 （ 2）在微指令字的格式中，增設下地址字段之后，就可以用微地址寄存器 (?MAR)取代微程序計數(shù)器。 (B)無條件轉(zhuǎn)向： ?PC。通常采用兩種方法形成后繼微地址： （ 1）增量方式 這種方式和機器指令的控制方式類似。 （ 3）當操作碼的位數(shù)與位置都不固定時，通常的方法是采用 PLA可編程邏輯陣列實現(xiàn)。 計算機組成原理 西北工業(yè)大學計算機學院 53 （ 2）當每類指令的操作碼位數(shù)與位置固定，而各類指令之間的操作碼位數(shù)與位置不固定時，可采用分級轉(zhuǎn)移的方法。這是一種多分支情況，通常有以下幾種方式： （ 1）操作碼的位數(shù)與位置固定，這時可直接使操作碼與微地址碼的部分位相對應。 這種編譯法適用于把那些不同類型的，不常用的，但數(shù)量又可觀的“零散”的微命令編入少數(shù)幾個字段之中，以減少微指令字的長度，組合編譯更多的微命令。 計算機組成原理 西北工業(yè)大學計算機學院 51 （ 2）、字段間接編譯法 它是在字段直接編譯法基礎上用來進一步縮短指令字長，組合零散微命令的一種編譯法。這是微命令的相容性。 計算機組成原理 西北工業(yè)大學計算機學院 50 字段編譯法 （ 1）、字段直接編譯法 A：把一條微指令分成幾段，段與段間按水平法設計，每個段內(nèi)分別按垂直法進行編碼，每一段形成一個微命令，一條微指令可同時有并行的幾個微命令。 （ 3） 優(yōu)點： A：編程簡單； B：微指令字中各位都得到充分利用。 （ 2） 本質(zhì)特征：面向算法來編碼的。 計算機組成原理 西北工業(yè)大學計算機學院 49 最短編譯法 （ 1） 含義：每一條微指令只定義一個微命令。 （ 3）優(yōu)點： A：并行執(zhí)行，執(zhí)行速度也比較快； B：微程序所需用的微指令條數(shù)少。按不譯法編碼的微指令，又稱水平微指令。 計算機組成原理 西北工業(yè)大學計算機學院 48 一、編譯法的選擇原則 (1)減少微指令的長度； (2)提高微操作的并行性； (3)提高機器的控制性能并降低價格； (4)有利于微程序設計的靈活性。 4)微地址寄存器 ?MAR: 接收微地址形成部件送來的微地址。 2)微指令寄存器 ?IR 用來存放從控制存儲器中取得的微指令。 5) 微周期 微周期就是從控制存儲器中讀出一條微指令并執(zhí)行相應操作所需要的時間。 微指令：具有微地址的控制字。微操作是微命令在時序的配合作用下的操作過程。 （ 3）診斷能力 微程序設計方法：診斷能力強 組合邏輯控制：診斷能力弱 計算機組成原理 西北工業(yè)大學計算機學院 45 1) 控制字 (CW):表征微操作控制要求的二進制字，稱為控制字。 （ 2） 從性能上來比較 在同樣的半導體工藝條件下，微程序控制的速度比組合邏輯控制方式的速度低，這是因為執(zhí)行每條微指令都要從控存中讀取一次，影響了速度，而組合邏輯控制方式取決于電路延遲，因而在超高速計算機中，對影響速度的關(guān)鍵部分例如 CPU，往往采用組合邏輯控制方法。也就是說，在 M1機器上使用 M2機器語言編寫程序并運行，從用戶角度來看， M1和 M2無區(qū)別，要能做到這一點，只有機器具有控存 CM的微程序設計結(jié)構(gòu)才行。 微程序控制技術(shù)被廣泛應用的原因 （ 1） 物質(zhì)基礎： ROM （ 2） 靈活性 （ 3）提高了可靠性，可利用性及可維護性 (簡稱RAS技術(shù) )，大大優(yōu)化了硬件控制技術(shù)。JSR 節(jié) 拍 發(fā) 生 器 原 理 圖 計算機組成原理 西北工業(yè)大學計算機學院 35 模型機的時序系統(tǒng) P T3 T2 T1 T0 M 指令周期 三級時序關(guān)系 計算機組成原理 西北工業(yè)大學計算機學院 36 計算機組成原理 西北工業(yè)大學計算機學院 37 設計的步驟 把指令的執(zhí)行過程分解成若干功能部件能實現(xiàn)的基本微操作，并以圖的形式排列成有先后次序、相互銜接配合的流程（ 指令操作流