标量处理机-Read.docVIP

标量处理机1. 提高处理机指令执行的速度有哪几种途径？????2. 一条指令的执行过程可分为哪几个阶段？多条指令执行的重叠方式有哪几种？它们各有什么优缺点？????3. 先行控制技术采用了哪几个关键技术？它是如何解决访问主存储器的冲突问题的？????4. 采用先行控制方式的处理机一般设置哪几个缓冲栈？它们分别起什么作用？????5. 在先行控制方式中，数据相关主要有哪几种？解决数据相关有哪几种方法？各有什么优缺点？????6. 流水线的工作原理是什么？流水线方式与传统的串行方式相比有什么特点？流水线可以从哪几种不同的角度进行分类？????7. 衡量流水线的性能有哪几个主要指标？????8. 流水线中的“瓶颈”是如何产生的？有什么办法可以解决流水线“瓶颈”问题？????9. 非线性流水线与线性流水线相比有什么不同点？它的工作过程是如何表示的？????10. 怎样实现非线性流水线的无冲突调度？它是最优调度吗？用什么方法可以达到最优调度？????11. 指令乱序流动可能造成哪些数据相关？分别在什么情况下发生？如何检测和避免数据相关？????12. 转移指令有哪几种？它们会对流水线造成什么影响？有哪些措施可以降低转移指令对流水线的影响?????13. 超标量处理机和超流水线处理机是如何实现指令级并行度大于1的？它们各有什么不同的特点？????14. 在超标量处理机中，有哪几种指令调度方法？各有什么特点？先行指令窗口在超标量处理机中起什么作用？ 标量处理机是目前最通用和使用最普遍的处理机。????设计处理机的基本任务之一是要提高处理机指令执行的速度，途径通常有如下三种：提高处理机的工作主频。采用更好的算法和设计更好的功能部件。多条指令并行执行，称为指令级并行技术。这是目前和将来提高处理机指令执行速度的一条主要途径。其中又有三种基本方法，分别是流水线（Superpipelining）技术、超标量（Superscalar）技术和超长指令字（VLIW：Very Long Instruction Word）技术。标量处理机：只有标量数据表示和标量指令系统的处理机称为标量处理机。采用流水线技术的处理机，称为流水线处理机或超流水线处理机。超标量技术是在一个处理机中设置多个独立的功能部件，称为多操作部件处理机或超标量处理机。也可以把超流水线技术与超标量技术结合起来，称为超标量超流水线处理机。超长指令字技术是在一条指令中设置有多个独立的操作字段，每个字段可以分别独立地控制各个功能部件并行工作。目前，前两种技术已经相当成熟，已经研制出了多种高性能的超标量和超流水线处理机，而超长指令字技术还在进一步研究中。????本以介绍流水线技术为主，包括先行控制技术、流水线原理、流水线性能分析、非线性流水线的调度方法、局部数据相关和全局数据相关的处理方法等，最后介绍超标量处理机和超流水线处理机等。先行控制（Look-ahead）技术的关键是缓冲技术和预处理技术，以及这两者的相结合。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。指令的执行过程可以被分解为相互独立的几个阶段，具体的分法要根据各种处理机的情况而确定。在图5.1中把一条指令的执行过程分为3个阶段。其中，取指令是按照指令计数器的内容访问主存储器，取出一条指令送到指令寄存器。指令分析是指对指令的操作码进行译码，按照给定的寻址方式和地址字段中的内容形成操作数的地址，并用这个地址读取操作数，操作数可能在主存储器中，也可能在寄存器中。指令执行是指根据操作码的要求，完成指令规定的功能，在此期间，要把运算结果写到寄存器或主存储器中。因此，在指令执行过程的三个阶段都可能要访问主存储器。另外，在指令分析或指令执行过程中还要完成指令计数器更新，为读取下一条指令作准备。???? 当有多条指令要在处理机中执行时，根据重叠程度的不同可以有多种执行方式：????1、顺序执行方式。????2、一次重叠执行方式。 ????3、二次重叠执行方式。??? 图5.1 一条指令的执行过程 ????1、顺序执行方式。指令的执行过程如图5.2(a)所示。采用顺序执行方式执行n条指令所用的时间为： （5.1） ????????如果取指令、分析指令和执行指令的时间都相等，每段的时间都为t，则执行n条指令所用的时间为： ??????T＝3nt （5.2） ?????采用顺序执行方式的优点是控制简单，节省设备。主要缺点有两个，一是处理机执行指令的速度慢。只有当上一条指令全部执行完之后，下一条指令才能够开始执行，即在任何时刻，处理机中只有一条指令在执行。二是功能部件的利用率很低。????例如，在取指令和分析指令时，主存储器是忙碌的，但指令执行部件是空