【正文】 1 與指令 4 沖突 指令 2 與指令 5 沖突 指令 指令 指令 6 沖突 …… CO FO EI WO DI FI CO FO EI WO DI FI CO FO EI WO DI FI CO FO EI WO DI FI CO FO EI WO DI FI CO FO EI WO DI FI CO FO EI WO DI FI CO FO EI WO DI FI CO FO EI WO DI FI 指令 1 指令 2 指令 3 指令 4 指令 5 指令 6 指令 7 指令 8 指令 9 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 t 三、影響指令流水性能的因素 1. 訪存沖突 解決辦法 ? 指令存儲器和數(shù)據(jù)存儲器分開 ? 指令預(yù)取技術(shù) （適用于訪存周期短的情況） 返回首頁 2. 相關(guān)問題 程序的相近指令之間出現(xiàn)某種關(guān)聯(lián) 使指令流水出現(xiàn)停頓 影響流水線效率 (1) 控制相關(guān) WO EI FO CO DI WO EI FO DI FI FI DI FI CO FI FO CO DI FI WO EI FO CO DI FI DI FO EI WO EI FO CO FI DI CO WO DI FI CO FI 指令 1 指令 2 指令 3 指令 4 指令 5 指令 6 指令 7 指令 15 指令 16 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 轉(zhuǎn)移損失 t 設(shè) 指令 3 是轉(zhuǎn)移指令 BNE 指令必須等 CPX 指令的結(jié)果 才能判斷出 是轉(zhuǎn)移 還是順序執(zhí)行 LDA 0 LDX 0 INX CPX N BNE M DIV N STA ANS ADD X, D M 返回首頁 (2) 數(shù)據(jù)相關(guān) 幾條相近的指令間，共用 同一存儲單元 或 同一寄存器 時， 會出現(xiàn) 數(shù)據(jù)相關(guān) ADD R1， R2 如： SUB R1， R3 采用 旁路技術(shù) 解決辦法 寄存器組 鎖存器 鎖存器 ALU 返回首頁 四、流水線性能 1. 吞吐率 單位時間內(nèi) 流水線所完成指令 或 輸出結(jié)果 的 數(shù)量 ? 最大吞吐率 ? 實(shí)際吞吐率 連續(xù)處理 n 條指令的吞吐率為 設(shè) m 段的流水線各段時間為 Δ t Tpmax = Δ 1 t Tp = m Δ n t t 返回首頁 2. 加速比 Sp m 段的 流水線的速度 與等功能的 非流水線的速度 之比 設(shè)流水線各段時間為 Δ t 完成 n 條指令在 m 段流水線上共需 T = m t t Δ Δ 完成 n 條指令在等效的非流水線上共需 T ′= nm +(n1) = nm m + n 1 Δ t Δ Δ t t 則 返回首頁 由于流水線有 建立時間 和 排空時間 因此各功能段的 設(shè)備不可能 一直 處于 工作 狀態(tài) 流水線中各功能段的 利用率 3. 效率 mΔt 3 1 2 4 5 3 1 2 4 5 3 1 2 4 5 3 1 2 4 5 … … … … … … … … … … … … n1 n n1 n n1 n n1 n T時間 S空間 空間 S4 S3 S2 S1 (n1) Δt 返回首頁 m(m + n 1) Δt = mnΔt 流水線各段處于工作時間的時空區(qū) 流水線中各段總的時空區(qū) 效率 = 3. 效率 mΔt 3 1 2 4 5 3 1 2 4 5 3 1 2 4 5 3 1 2 4 5 … … … … … … … … … … … … n1 n n1 n n1 n n1 n T時間 S空間 空間 S4 S3 S2 S1 (n1) Δt 流水線中各功能段的 利用率 返回首頁 五、流水線的多發(fā)技術(shù) 1. 超標(biāo)量技術(shù) ? 每個時鐘周期內(nèi)可 并發(fā)多條獨(dú)立指令 ? 不能調(diào)整 指令的 執(zhí)行順序 配置多個功能部件 通過編譯優(yōu)化技術(shù)，把可并行執(zhí)行的指令搭配起來 IF ID EX WR 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 t 返回首頁 2. 超流水技術(shù) ? 在 一個時鐘周期 內(nèi) 再分段 （ 3 段） ? 不能調(diào)整 指令的 執(zhí)行順序 在一個時鐘周期內(nèi) 一個功能部件使用多次 （ 3 次） 靠編譯程序解決優(yōu)化問題 流水線速度是原來速度的 3 倍 IF ID EX WR 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 t 返回首頁 3. 超長指令字 ? 采用 多個處理部件 具有 多個操作碼字段 的 超長指令字 （可達(dá)幾百位） ? 由編譯程序 挖掘 出指令間 潛在 的 并行性 ， 將 多條 能 并行操作 的指令組合成 一條 IF ID EX WR 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 t 返回首頁 六、流水線結(jié)構(gòu) 1. 指令流水線結(jié)構(gòu) 完成一條指令分 7 段 ， 每段需一個時鐘周期 若 流水線不出現(xiàn)斷流 1 個時鐘周期出 1 結(jié)果 不采用流水技術(shù) 7 個時鐘周期出 1 結(jié)果 理想情況下， 7 級流水 的速度是不采用流水技術(shù)的 7 倍 地址形成部件 指令譯碼部件 取操作數(shù)部件 取指令部件 操作執(zhí)行部件 回寫結(jié)果部件 修改指令指針部件 鎖存 鎖存 鎖存 鎖存 鎖存 鎖存 返回首頁 2. 運(yùn)算流水線 完成 浮點(diǎn)加減 運(yùn)算 可分 對階 、 尾數(shù)求和 、 規(guī)格化 三段 分段原則 每段 操作時間 盡量 一致 鎖存器 對階功能部件 第一段 尾數(shù)加部件 鎖存器 第二段 規(guī)格化部件 鎖存器 第三段 返回首頁 80x86系列微處理器 8086是第一款 16位微處理器，問世之初，市場上缺乏與之配套的外圍芯片，用 8086來構(gòu)建微型計(jì)算機(jī)成本很高。 返回首頁 8088的通用寄存器組、 ALU、指令系統(tǒng)都是按照16位設(shè)計(jì)的，與 8086完全相同，只不過 8088的數(shù)據(jù)引腳是 8位的。 8086/8088微處理器的浮點(diǎn)運(yùn)算能力和 I/O能力相對較弱，為了滿足用戶對高性能計(jì)算的要求， Intel公司還推出了兩款協(xié)處理器 —— 數(shù)值運(yùn)算協(xié)處理器 8087 和 I/O協(xié)處理器 8089。在這種模式中，所有的總線控制信號都直接由 8086或 8088發(fā)出。 返回首頁 SI DI BP SP DL DH CL CH BL BH AL AH 6 5 4 3 2 1 通用寄存器組 AX BX CX DX 外部總線 內(nèi)部暫存器 IP ES SS DS CS 運(yùn)算寄存器 ALU 標(biāo) 志 輸入輸出 控制電路 ∑ 執(zhí)行部分 控制電路 執(zhí)行部件（ EU） 總線接口部件 （ BIU） 內(nèi)部總線 地址加法器 16位 16位 20位 16位 8086CPU結(jié)構(gòu)圖 返回首頁 一、總線接口部件（ BIU） ：負(fù)責(zé)與存儲器、 I／ O接口之間傳送信息。 （ 4）六字節(jié)的指令隊(duì)列緩沖器。 （ 2）對指令進(jìn)行譯碼，發(fā)出相應(yīng)的控制信號。 （ 2）四個通用寄存器 AX、 BX、 CX、 DX。 （ 3）四個專用寄存器 地址指針寄存器 變址寄存器 （ 4）數(shù)據(jù)暫存寄存器 協(xié)助 ALU完成運(yùn)算，暫存參加運(yùn)算的數(shù)據(jù)。 （ 6）標(biāo)志寄存器 返回首頁 16位寄存器，其中有 7位未用。 ? 用什么方法來擴(kuò)大呢？ ? 將正常管理的 64KB存儲空間定義為一個 段 ? 讓微處理器能夠管理多個這樣的段 ? 通過分段存儲結(jié)構(gòu)， 8086/8088能夠管理 1MB的存儲空間。 返回首頁 依照用途的不同，可分為如下段 代碼段 (Code Segment, CS) 數(shù)據(jù)段 (Data Segment, DS) 堆棧段 (Stack Segment, SS) 附加數(shù)據(jù)段 (Extended Data Segment, ES) 存儲程序（指令）代碼。段基址存放于 DS寄存器，段內(nèi)偏移地址存放于 SI、 DI或 BX寄存器 管理系統(tǒng)堆棧。段基址存放于ES寄存器，段內(nèi)偏移地址存放于 SI、 DI或BX寄存器 返回首頁 DI SI BP SP DL DH CL CH BL BH AL AH FR IP ES SS DS CS 數(shù)據(jù)寄存器 指針寄存器 和 變址寄存器 段寄存器 指令指針 標(biāo)志寄存器 AX BX CX DX 8086/8088 的寄存器組 作為 累加器 用，在加法運(yùn)算中參與運(yùn)算，結(jié)果存于累加器中； 所有的 I/O指令都隱含地使用 AX與外部設(shè)備傳送信息。 作為通用寄存器使用； 在一些指令中，通常用它來存放數(shù)據(jù)，所以又稱為 數(shù)據(jù)寄存器 ； 在做雙字長運(yùn)算時，將 DX和 AX組合在一起存放雙字長數(shù)，用 DX存放高位字。又稱為 程序計(jì)數(shù)器 ， 控制程序中指令執(zhí)行的順序 基址 指針寄存器，指示一組數(shù)據(jù)的起始地址 源變址寄存器 目的變址寄存器 用于確定數(shù)據(jù)段中某一 存儲單元的地址 指向數(shù)據(jù)段，程序變量存于此段 指向附加段，這個段用來存放經(jīng)過處理的中間數(shù)據(jù) 堆棧 指針寄存器，指示堆棧棧頂?shù)钠频刂? 指向堆棧段，堆棧操作使用這段存儲空間 返回首頁 ? 由段基址和相對亍該段的偏移地址共同描述的地址 —— 邏輯地址 00000H FFFFFH 例如： 52022H 例如： 5000H:2022H 段基址 偏移地址 段基址寄存器管理 程序設(shè)計(jì)中使用的，方便程序設(shè)計(jì) ? 20根地址線所表示的地址 ——物理地址 返回首頁 0 0 0 0 段 地 址 如何根據(jù) 16位 的段地址和 16位 的段內(nèi)偏移地址來計(jì)算 20位 的 物理地址 呢？ 19 … 4 3 … 0 段地址左移四位 偏 移 地 址 15 14 13 …… 2 1 0 ∑ 20 位 的 物 理 地 址 8086/8088 的分段存儲結(jié)構(gòu) 2022/2/1 返回首頁 物理地址的計(jì)算方法 ? 段地址左移四位，再加上偏移地址，就得到 20位的物理地址。 它采用分時復(fù)用的地址 /數(shù)據(jù)總線 ， 所以有一部分引腳具有雙重功能 ， 即在不同時鐘周期內(nèi) ，引腳的作用