流水线处理机 PPT课件.ppt

文档介绍：计算机组成原理
第二十一、二十三讲
2018年8月2日
流水线处理机
1、流水线处理机的基本概念
2、流水线处理机的数据路径
流水线级,流水线各级的操作
3、流水线处理机的控制
运算指令,访存指令,转移控制指令,流水线各级信号的产生,时序图,时空图
4、流水线处理机的相关
结构相关,数据相关,转移相关
本讲安排
本讲将解决的主要问题
掌握流水线处理机的数据路径
建立指令流水线中指令如何重叠执行和流动
了解流水线工作原理以及相关问题
单周期处理机
该单周期处理器的缺陷
时钟周期时间长:
•对于装入指令,周期时间必须足够长:
指令存储器访问时间+
寄存器堆访问时间+
ALU计算地址+
数据存储器访问时间+
寄存器建立时间+
对于所有其他指令,周期时间都比所需的要长很多!
多周期处理机
单周期处理器的问题根源:
对于最慢的指令,周期时间必须足够长
解决方案:
•将指令处理分为更小的步骤,每个周期执行一步(而不是整个指令)
- 周期时间: 执行最长步所需的时间
- 使所有的步骤尽量具有相同的长度
•这是多周期处理器的本质所在
多周期处理器的优点:
•周期时间非常短
•不同的指令需要不同的周期数来完成
- 装入指令需要5个周期,- 跳转仅仅需要3个周期
•允许每条指令多次使用同一个功能部件
多周期实现概述
流水线的基本概念
什么是流水线
计算机中的流水线是把一个重复的过程分解为若干个子过程,每个子过程与其他子过程并行进行。由于这种工作方式与工厂中的生产流水线十分相似,因此称为流水线技术。
从本质上讲,流水线技术是一种时间并行技术。
计算机的各个部分几乎都可以采用流水线技术:
    (1)指令的执行过程可以采用流水线,称为指令流水线。
    (2)运算器中的操作部件,如浮点加法器、浮点乘法器等可以采用流水线,称为操作部件流水线。
    (3)访问主存的部件可以采用访存部件流水线。多个计算机之间,通过存储器连接,也可以采用流水线,称为宏流水线。
指令的重叠执行
(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
(2) 重叠解释执行
执行k
分析k
取指k
执行k+1
分析k+1
取指k+1
T=(2n+1)t
执行k
分析k
取指k
执行k+1
分析k+1
取指k+1
(3) 更高重叠程度的解释执行
T=3t+(n-1)t=(n+2)t
执行k+1
分析k+1
取指k+1
执行k
分析k
取指k
(1) 顺序解释执行
T=3nt