第五章 标量流水技术1

分析k 分析 执行k 执行 分析k+1 分析 执行k+1 执行 ∆t3
如何使这种空闲状态减∆t1 分析k+2 分析 执行k+2 执行 少到最低限度， 少到最低限度，是先行 ∆t 标量处理机 分析k+3 分析 2011年4月2日星期六 计算机系统结构 第五章 2 控制方式研究的问题。 控制方式研究的问题。
主要优点： 主要优点： 指令的执行时间缩短， 指令的执行时间缩短， 功能部件的利用率明显提高。 功能部件的利用率明显提高。 主要缺点： 主要缺点： 需要增加一些硬件， 需要增加一些硬件，如指令缓冲寄存器 控制过程稍复杂。 控制过程稍复杂。
3.二次重叠执行方式 3.二次重叠执行方式 如果相邻两条指令的重叠时间再往前提前一个阶段， 如果相邻两条指令的重叠时间再往前提前一个阶段，三 个过程的时间相等，执行n条指令的时间为： 个过程的时间相等，执行n条指令的时间为： T＝3t+(n-1)t=(2＋n）t ＝ ＋ ） 在理想情况下，处理机中同时有三条指令在执行。 在理想情况下，处理机中同时有三条指令在执行。 处理机的结构要作比较大的改变， ！处理机的结构要作比较大的改变，需要采用先行控制 技术。 技术。
存 储 控 制 器 控制逻辑 指令缓冲 存储器堆 指令寄存器 IR 先行程序计数器 PC1 现行程序计数器 PC
指令分析器
先行缓冲栈
设置先行缓冲栈的目的： 指令分析器和指令执行部件能独立工作 设置先行缓冲栈的目的：使指令分析器和指令执行部件能独立工作 1.先行指令缓冲栈 处于主存储器 指令分析器之间 用它来平滑 先行指令缓冲栈： 主存储器与 之间， 1.先行指令缓冲栈：处于主存储器与指令分析器之间，用它来平滑 主存储器取指令和指令分析器使用指令之间的速度差异。 主存储器取指令和指令分析器使用指令之间的速度差异。 RR型指令 不必处理， 型指令， RR型指令，不必处理，直接送先行缓冲栈 RS型指令 EA送先行读数栈 型指令， 送先行读数栈， RS型指令，EA送先行读数栈，用该先行读数栈的寄存器编号替换指 令中的主存地址码部分，形成RR* RR*指令送先行缓冲栈 令中的主存地址码部分，形成RR*指令送先行缓冲栈 RI型指令，指令中的立即数送先行读数栈，用该先行读数栈的寄存 RI型指令，指令中的立即数送先行读数栈， 型指令 器编号替换指令中的立即数部分，形成RR* RR*指令送先行缓冲栈 器编号替换指令中的立即数部分，形成RR*指令送先行缓冲栈 转移指令，一般在指令分析器中直接执行。 转移指令，一般在指令分析器中直接执行。
i =1
如果每段时间都为t，则执行n条指令所用的时间为： 如果每段时间都为t 则执行n条指令所用的时间为： T＝3 n t ＝
取指令k 取指令 k 分析k 分析 k 执行k 执行 k 取指令k+1 分析k+1 取指令 k+1 分析 k+1 执行k+1 执行 k+1
主要优点：控制简单，节省设备 主要优点：控制简单， 主要缺点：速度慢， 主要缺点：速度慢，功能部件的利用率低
5.1 控制流机器及其改变
•控制流：指被处理的指令序列的执行顺序。 控制流：指被处理的指令序列的执行顺序。 控制流 相继的。 •通常，指令执行的顺序是相继的。但是程序 通常， 通常 指令执行的顺序是相继的 在执行中，若遇到以下的一些情况时， 在执行中，若遇到以下的一些情况时，这种 顺序的控制流将发生改变。 顺序的控制流将发生改变。 1）转移指令 ） 2）过程调用个返回 ） 3）协同程序 ） 4）中断和自陷 ）
先行指令缓冲栈 主 存 储 器 存 储 控 制 器 后行写数栈 先行读数栈
指令分析器 先行操作栈 运算控制器 运算器 通 用 寄 存 器
先行指令缓冲栈的作用：只要指令缓冲栈没有充满， 先行指令缓冲栈的作用：只要指令缓冲栈没有充满，就 的作用 自动发出取指令的请求。设置两个程序计数器： 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PC 用来指示取指令， 先行程序计数器 1，用来指示取指令， 现行程序计数器PC， 现行程序计数器 ，记录指令分析器正在分析的指令地 址。
处理机结构 1.三个独立的控制器 存储控制器、指令控制器、运算控制器。 三个独立的控制器： 1.三个独立的控制器：存储控制器、指令控制器、运算控制器。 2.四个缓冲栈 先行指令缓冲栈、先行读数缓冲栈、先行操作栈、 四个缓冲栈： 2.四个缓冲栈：先行指令缓冲栈、先行读数缓冲栈、先行操作栈、 后行写数栈。 后行写数栈。 工作过程： 3. 工作过程： 4.存在的主要问题 存在的主要问题： 4.存在的主要问题： 各类指令“分析” 执行” 各类指令“分析”和“执行”的时间相差很大 数据相关以及转移或转子程序指令
重叠执行方式（一次） 2. 重叠执行方式（一次） 如果两条相邻指令的解释过程中， 如果两条相邻指令的解释过程中，某些不同解释阶段在时 间上存在重叠部分，执行n条指令的时间： ＝ 间上存在重叠部分，执行n条指令的时间：T＝(1+2n)t
取指令 k 分析 k 执行 k 取指令 k+1 分析 k+1 执行 k+1 取指令 k+2 分析 k+2 执行 k+2
取指令 k
分析 k 取指令 k+1
执行 k 分析 k+1 取指令 k+2 执行 k+1 分析 k+2 执行 k+2
二次重叠执行方式
采用二次重叠执行方式必须解决两个问题： 采用二次重叠执行方式必须解决两个问题： 1)有独立的取指令部件、指令分析部件和指令执行部件， 有独立的取指令部件 1)有独立的取指令部件、指令分析部件和指令执行部件， 把一个集中的指令控制器分解成三个独立的控制器： 把一个集中的指令控制器分解成三个独立的控制器： 存储控制器、指令控制器、运算控制器。 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 2)要解决访问主存储器的冲突问题 取指令、分析指令、执行指令都可能要访问存储器 取指令、分析指令、 解决访存冲突的方法： 解决访存冲突的方法： (1)采用低位交叉存取方式 采用低位交叉存取方式： (1)采用低位交叉存取方式： 这种方法不能根本解决冲突问题。 这种方法不能根本解决冲突问题。 指令、读操作数、写结果。 指令、读操作数、写结果。 (2)两个独立的存储器：独立的指令存储器和数据存储器。 (2)两个独立的存储器：独立的指令存储器和数据存储器。 两个独立的存储器 如果再规定， 如果再规定，执行指令所需要的操作数和执行结果只写到 通用寄存器，则取指令、 通用寄存器，则取指令、分析指令和执行指令就可以同 时进行。 时进行。 在许多高性能处理机中，有独立的指令Cache和数据Cache Cache和数据Cache。 在许多高性能处理机中，有独立的指令Cache和数据Cache。 7 2011年4月2日星期六 计算机系统结构 第五章 这种结构被称为哈佛结构。 标量处理机 这种结构被称为哈佛结构。
2011年4月2日星期六 计算机系统结构 第五章 标量处理机 3
5.2 标量流水工作原理 5.2.1指令的重叠执行方式和先行控制 5.2.1指令的重叠执行方式和先行控制 1.顺序执行方式 1.顺序执行方式 执行n条指令所用的时间为： 执行n条指令所用的时间为： n
T = ∑ (t取指令i + t分析i + t执行i）
先行指令缓冲栈 主 存 储 器 存 储 控 制 器 后行写数栈 运算器 先行读数栈 运算控制器 先行操作栈 通 用 寄 存 器 指令分析器
2.先行操作栈：处于指令分析器和运算控制器之间， 2.先行操作栈：处于指令分析器和运算控制器之间，使指令分析器 先行操作栈 指令分析器 之间 和运算器能够各自独立工作 采用先进先出方式工作， 各自独立工作。 先进先出方式工作 和运算器能够各自独立工作。采用先进先出方式工作，由指令寄 存器堆和控制逻辑组成。 存器堆和控制逻辑组成。 3.先行读数栈：处于主存储器与运算器之间，滑运算器与主存储器 3.先行读数栈：处于主存储器与运算器之间， 先行读数栈 主存储器 之间 地址寄存器、 的工作。每个缓冲寄存器由地址寄存器 操作数寄存器和标志三 的工作。每个缓冲寄存器由地址寄存器、操作数寄存器和标志三 部分组成。也可把地址寄存器和操作数寄存器合为一个。 部分组成。也可把地址寄存器和操作数寄存器合为一个。 当收到从指令分析器中送来的EA EA时 就向主存申请读操作数。 当收到从指令分析器中送来的EA时，就向主存申请读操作数。读出 的操作数存放在操作数寄存器中或覆盖掉地址寄存器中地址 4.后行写数栈 每个后行缓冲寄存器由地址寄存器 数据寄存器和标志组成 后行写数栈： 地址寄存器、 组成。 4.后行写数栈：每个后行缓冲寄存器由地址寄存器、数据寄存器和标志组成。 • 指令分析器遇到向主存写结果的指令时，把形成的EA送入后行写 指令分析器遇到向主存写结果的指令时，把形成的EA EA送入后行写 数栈的地址寄存器中， 数栈的地址寄存器中，并用该地址寄存器的编号替换指令的目的 地址部分，形成RR*指令送入先行操作栈。当运算器执行*指令送入先行操作栈。当运算器执行这条RR* 先行指令缓冲栈 指令分析器 型写数指 主 存 令时只要把 令时只要把 存 储 先行操作栈 通 写到主存的 储 控 先行读数栈 用 数据送到后 器 制 运算控制器 寄 行写数栈的 数据寄存器 器 存 中即可。 中即可。 后行写数栈 运算器 器
• 忽略“取指”时间，可将“取指”合并在“分析”周期 忽略“取指”时间，可将“取指”合并在“分析” 执行n条指令 所需要的T=(1+n)t 条指令， 内。执行 条指令，所需要的
t 分析k 分析 t 执行k 执行 分析k+1 执行 执行k+1 分析 分析k+2 执行 执行k+2 分析 t t
现代计算机系统中各类指令“分析”与“执行”所需的时 现代计算机系统中各类指令“分析” 执行” 间相差很大， 间相差很大，指令分析部件和指令执行部件经常需要相互 等待。 等待。