N流水RISC多媒体CPU..pptVIP

第五章　中央处理器 CPU的组成和功能 指令周期 时序产生器和控制方式 微程序控制器 硬布线控制器 流水CPU 如何提高计算机的速度？ 提高访存速度 高速芯片、 Cache、多体并行 提高 I/O 和主机之间的传送速度 中断、 DMA、通道、多总线、 I/O 处理机 提高运算器速度 高速芯片、改进算法、快速进位链 提高整机处理能力 高速器件、改进系统结构 ，开发系统的并行性 5.8 流水CPU 5.8.1 并行处理技术 不论微型机还是巨型机，并行处理技术已成为计算机技术发展的主流。并行处理技术可贯穿于信息加工的各个步骤和阶段。 同时性——两个以上事件在同一时刻发生。如多机系统中，同一时刻多个进程在运行。 并发性——两个以上事件在同一时间段发生。如并发程序，某一时刻CPU中只有一个进程在运行，而在一个时间段内，多个进程同时运行。 时间上互相重叠。 并行性的三种形式： 时间并行：时间重叠，使用流水处理部件。流水CPU是以时间并行性为原理构造的处理器，是一种非常经济而实用的并行技术。目前的高性能微型机几乎无一例外地使用了流水技术。 空间并行：资源重复，同时工作。在多处理器系统和多计算机系统中应用最多。 时间并行＋空间并行：时间重叠和资源重复的综合应用。奔腾CPU采用了超标量流水技术，在一个机器周期中同时执行2条指令。 5.8.2 流水CPU的结构 CPU按流水线方式组织，通常由指令部件、指令队列、执行部件组成了一个3级流水线。 执行段速度匹配问题的解决方法： 定点执行部件，浮点执行部件 浮点加法部件，浮点乘／除部件 浮点运算部件都以流水线方式工作 流水CPU的时空图 非流水线处理器时空图 流水线处理器时空图 超标量流水线（Super scalar pipe lining） 标量流水计算机：只有一条指令流水线。 超标量流水计算机：具有两条以上的指令流水线。 超流水线（Super pipe lining） 在 一个时钟周期 内 再分段 （ 3 段） 在一个时钟周期内 一个功能部件使用多次（ 3 次） 不能调整 指令的 执行顺序 靠编译程序解决优化问题 超长指令字（Very Long Instruction Word） 由编译程序 挖掘 出指令间 潜在 的 并行性，将 多条 能 并行操作 的指令组合成 一条具有 多个操作码字段 的 超长指令字（可达几百位） 流水线的分类 常见的流水线形式： 指令流水线（指令步骤的并行） 算术流水线（运算操作步骤的并行） 处理机流水线（程序步骤的并行） 指令流水线 完成一条指令分 7 段， 每段需一个时钟周期 算术流水线 完成 浮点加减 运算 可分对阶、尾数求和、规格化 三段 分段原则 每段 操作时间 尽量 一致 5.8.3 流水线中的主要问题 流水过程中通常会出现资源相关、数据相关、控制相关这三种相关冲突，使流水线断流。 为此需要采取相应的技术对策，才能保证流水线畅通而不断流。 1. 资源相关问题 资源相关：指多条指令进入流水线后在同一机器时钟周期内争用同一个功能部件所发生的冲突。 解决方法：指令推迟执行，或是设置重复资源。 2. 数据相关问题 数据相关：在一个程序中，如果必须等前一条指令执行完毕后，才能执行后一条指令，这两条指令就是数据相关。 解决方法：定向传送技术。 例题 流水线中有三类数据相关冲突：写后读相关；读后写相关；写后写相关。判断以下三组指令各存在哪种类型的数据相关。 (1) I1: 　ADD R1，R2，R3 ； (R2) + (R3)-R1 　　I2: 　SUB R4，R1，R5 ； (R1) - (R5)-R4 (2) I3: 　STA M(x)，R3 ； (R3)-M(x)，M(x)是存储器单元 　　I4: 　ADD R3，R4，R5 ； (R4)+(R5)-R3 (3) I5: 　MUL R3，R1，R2 ； (R1)×(R2)-R3 　　I6:　 ADD R3，R4，R5 ； (R4) + (R5)-R3 【解】 3. 控制相关问题 控制相关：当执行转移指令时，根据转移条件是否发生来控制指令的执行顺序。 解决方法：延迟转移法、转移预测法。 延迟转移法 由编译程序重排指令序列来实现。基本思想是“先执行再转移”。 转移预测法 用硬件方法来实现，依据指令过去的行为来预测将来的行为。 5.9 RISC CPU RISC CPU是继承CISC的成功技术，并在克服CISC机器缺点的基础上发展起来的。 RISC机器的三个基本要素是： (1) 一个有限的简单指令集 (2) CPU配备大量的通用寄存器 (3) 强调指令流水线的优化。 注意，RISC机器一定是流水CPU，但流水CPU不一定是RISC机器。如奔腾CPU是流