第5章体系结构.ppt

第五章 标量处理机 基本概念 5.1 先行控制技术 5.2 流水线处理机 5.3 超标量处理机与超流水线处理机 标量处理机中只有标量数据表示和标量指令系统 标量(scalar)：一个完全由其大小决定而没有方向的数量，如质量、长度等。 向量(vector)：完全由大小和方向确定的量，如速度等,向量常用形如A(x1,x2,x3)的形式来表示。 在标量处理机中，一次处理中涉及的是标量，如处理向量A的分量x1。而在向量处理机中，并行处理x1、x2、x3。在标量处理机中一次处理一个数据,向量处理机一次处理的是一组数据。 超标量计算机，指的是在处理机内部有多个独立的操作部件，如ALU、浮点数加减法和乘除法部件，各部件有独立的功能。 一般标量计算机中，是用一个多功能部件集中实现算术逻辑、浮点数加减、乘除法等多种计算。 5.1 先行控制技术 先行控制(Lookahead)技术最早在IBM公司的STRETCH机器中采用。 先行控制技术的关键是缓冲技术和预处理技术。 目前，许多处理机中都已经采用了先行控制技术。 5.1.1 指令的重叠执行方式 5.1.2 先行控制方式的原理和结构 5.1.3 数据相关 5.1.4 控制相关 5.1.1 指令的重叠执行方式 1、顺序执行方式： 执行n条指令所用的时间为： 如每段时间都为t，则执行n条指令所用的时间为：T=3nt。 主要优点：控制简单，节省设备。 主要缺点：执行指令的速度慢，功能部件的利用率低。 2、一次重叠执行方式： 如果两个过程的时间相等，则执行n条指令的时间为：T=(1+2n)t 一种最简单的流水线方式 主要优点：指令的执行时间缩短、功能部件的利用率明显提高 主要缺点：需要增加一些硬件、控制过程稍复杂 3、二次重叠执行方式： 如果三过程的时间相等，执行n条指令的时间为：T=(2+n)t 理想情况下同时有三条指令在执行 处理机的结构要作比较大的改变，必须采用先行控制方式 5.1.2 先行控制方式的原理和结构 采用二次重叠执行方式必须解决的两个问题 解决访存冲突的方法 先行控制方式处理机结构 先行控制方式的指令执行时序 先行缓冲栈 缓冲深度的设计 采用二次重叠执行方式必须解决两个的问题 (1) 有独立的取指令部件、指令分析部件和指令执行部件，要把一个集中的指令控制器，分解成三个相对独立的控制器：存储控制器、指令控制器、运算控制器。 (2) 要解决访问主存储器的冲突问题：取指令、分析指令、执行指令可能都要访问存储器 解决访存冲突的方法 (1) 两个独立的存储器：独立的指令存储器和数据存储器。 如果再规定，指令执行结果只写到通用寄存器，那么，取指令、分析指令和执行指令就可以同时进行 在许多高性能处理机中，有独立的指令Cache和数据Cache。 这种结构被称为哈佛结构。 (2) 采用低位交叉存取方式： 这种方法不能根本解决冲突问题 需要保证取指令、读操作数、写结果在不同存储体 (3) 采用先行控制技术。 先行控制技术的关键是缓冲技术和预处理技术。 缓冲技术是在工作速度不固定的两个功能部件之间设置缓冲栈，用以平滑它们的工作。 预处理技术是把运算器的指令都处理成RR型指令 在采用了缓冲技术和预处理技术之后，运算器能够专心于数据的运算，从而大幅度提高程序的执行速度。 先行控制方式处理机结构 在处理机内部设置一定容量的指令缓冲栈 把指令分析器所需要的指令事先取到指令缓冲栈中，而不必访问主存储器 使取指令、分析指令和执行指令重叠起来执行 三个独立的控制器：存储控制器、指令控制器、运算控制器 四个缓冲栈：先行指令缓冲栈、先行读数缓冲栈、先行操作栈、后行写数栈 只要指令缓冲栈没有满，就自动发出取指令的请求 设置两个程序计数器 先行程序计数器PC1，用来指示取指令， 现行程序计数器PC，记录指令分析器正在分析的指令地址 指令分析器每次取指令能够在先行指令缓冲栈中得到，则取指令只需要很短的时间就能够完成 可以把取指令与分析指令合并到一起，构成一次重叠执行方式 一次重叠执行存在的主要问题： (1) 各类指令分析和执行所需要的时间相差很大。 (2) 数据相关。 (3) 控制相关。 先行控制方式的指令执行时序 理想情况下，指令执行部件应该一直忙碌 连续执行n条指令的时间为： 先行缓冲栈 设置先行缓冲栈的目的：使指令分析器和指令执行部件独立工作。 1、先行指令缓冲栈 2、先行操作栈 3、先行读数栈 4、后行写数栈 在采用先行控制方式的处理机中，一个程序的执行情况 1、先行指令缓冲栈 位置：主存储器与指令分析器之间。 作用：用它来平滑主存储器取指令和指令分析器的工作。 把运算、移位、数据传送等指令都处理成RR型指令，送入先行操作栈。 RR型指令，不必处理，直接送先行操作栈； RS(存储器