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指令的几种执行方式 指令的几种执行方式 假设取指令、分析指令和执行指令的时间都相等，每段的时间都为t，执行一条指令的时间为T1，则T1=t取指令+t分析指令+t执行指令=3t， （1）顺序执行方式 如图8－2（a）所示，采用顺序执行方式执行n条指令所用时间为： Tn=3t×n=3nt （2）一次重叠执行方式 如图8－2（b）图所示。这是一种最简单的重叠方式，把执行第k条指今与取第k十1条指令同时进行。则执行n条指令所用的时间为： Tn=3×t+2t×（n-1）=（1+2n）t （3）二次重叠执行方式。 如图8－2（c）所示，我们如果把取第k十1条指令提前到与分析第k条指令同时进行，那么，分析第k十l条指令会与执行第k条指令同时进行，则执行n条指令所用的时间为： T=3×t+t×（n-1）=（2+n）t 采用一次重叠执行方式，指令的执行时间缩短了近二分之—，而且各功能部件在并行工作，利用率明显提高。 采用二次重叠执行方式能够将指令的执行时间缩短近三分之二，进—步提高了指令的执行速度。但是处理机中同时在取指令、分析和执行指令，因此，要把顺序执行方式中的一个集中的指令控制器分解为三个相对独立的控制器来同时发出三种控制信号，它们是主存储控制器，指令控制器，运算控制器。另外，在指令分析或指令执行过程中都要访问主存储器取指令，存在解决访问主存储器的冲突问题。 现代计算机的指令系统非常复杂，我们前面假设的情况是一种理想状态，在实际当中，各种指令难以做到“分析”与“执行”时间始终相等，所以二次重叠执行方式是—种理想的指令执行方式。 先行控制技术 要解决二次重叠执行方式中存在的访问主存储器的冲突问题，方法有三种： 第一，把主存储器分成两个独立编址的存储器，一个专门存放指令，称为指令存储器，另一个专门存放操作数，称为数据存储器。两个存储器同时独立访问，解决了取指令和读操作数的冲突。 第二，指令和数据仍然混合存放在同一个主存作储器内，采用低位交叉存取方式。 第三，解决访问存储器冲突的根本办法是处理机结构作较大的改变，采用先行控制技术。 先行控制技术 先行控制的基本思想是使分析部件和执行部件能分别连续不断地分析和执行指令，这种技术实际上是预处理技术和缓冲技术的结合，即通过对指令流和数据流的预处理和缓冲，能够尽量使指令分析器和指令执行部件独立地工作，并始终处于忙碌状态。这样，就能够使取指令、分析指令和执行指令重叠起来执行。使指令分析器和执行部件能尽量地连续工作。而且，在采用了缓冲技术和预处理技术之后，运算器能够专心干数据的运算、从而大幅度提高指令的执行速度。在正常情况下，处理机中同时有三条指令在执行。 先行控制技术最早在IBM公司研制的机器中采用。目前，先行控制技术是现代计算机系统中被普遍采用的一项重要技术，许多处理机中都已经采用了这种技术，包括超流水线处理机和超标量处理机等。 流水线 介绍流水线结构打个比方最容易。请大家设想一下工厂里产品装配线的情况，在我们想要提高它的运行速度的时候，是怎么做的呢？答对了。把复杂的装配过程分解成一个一个简单的工序，让每个装配工人只专门从事其中的一个细节，这样每个人的办事效率都会得到很大的提高，从而使整个产品装配的速度加快。这就是流水线的核心思想。  流水线 流水处理技术是在重叠、先行控制方式的基础上发展起来的，它基于重叠的原理，但却是在更高程度上的重叠。 流水线方式是把一个重复的过程分解为若干个子过程，每个子过程可以与其他子过程同时进行。由于这种工作方式与工厂中生产流水线十分相似，因此，把它称为流水线工作方式。 流水线 流水线(pipeline)是Intel首次在486芯片中开始使用的。流水线的工作方式就象工业生产上的装配流水线。在CPU中由5~6个不同功能的电路单元组成一条指令处理流水线，然后将一条X86指令分成5~6步后再由这些电路单元分别执行，这样就能实现在一个CPU时钟周期完成一条指令，因此提高了CPU的运算速度。超流水线是指某型CPU内部的流水线超过通常的5~6步以上，例如奔腾4的流水线就长达20步。将流水线设计的步(级)数越多，其完成一条指令的速度越快，因此才能适应工作主频更高的CPU。超标量是指在一个时钟周期内CPU可以执行一条以上的指令。这在486或者以前的CPU上是很难想象的，只有奔腾级以上CPU才具有这种超标量结构；这是因为现代的CPU越来越多的采用了RISC技术，所以才会有超标量的CPU。 流水线 描述流水线常用的方法是用“时空图”。在时空图中，横坐标表示时间，也就是输入到流水线中的各个任务在流水线中所经过的时间。当流水线中的各个功能部件的执行时间都相等时、横坐标被分割成相等长度的时间段，纵坐标表示空间，即