文档介绍：计算机系统结构
第一章基本概念第五章标量处理机
第二章指令系统第六章向量处理机
第三章存储系统第九章多处理机
第四章输入输出系统
第五章标量处理机
指令的重叠执行方式
流水线技术
超标量处理机与超流水线处理机
超标量超流水线处理机

当有多条指令要在处理机中执行时,可以有多种执行方式:
1、顺序执行方式
执行n条指令所用的时间为:
主要优点:控制简单,节省设备。
主要缺点:执行指令的速度慢,功能部件的利用率很低。
如果每段时间都为t,则执行n条指令所用
的时间为:T=3nt

一种最简单的流水线方式
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
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
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、执行指令都可能要访问存储器
解决访存冲突的方法:
(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。取指令、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。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,那么,取指令、分析指令和执行指令就可以同时进行。
(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。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。
处理机结构
,只要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件取到缓冲栈中,而不必访问主存储器。这样就能够使取指令、分析指令和执行指令重叠起来执行。
2. 指令执行时序
采用先行控制方式,在理想情况下,指令执行部件应该一直是忙碌的,因此,处理机连续执行n条指令所需的时间为:
T先行= t分析1 + ∑t执行i ≈∑t执行

在采用先行控制方式的处理机中,一般要设置四个先行缓冲栈,,作用如下:
(1)先行指令缓冲栈:
作为主存储器与指令分析器之间的一个缓冲部件,用于平滑主存储器和指令分析器的工作。
(2)先行操作栈:
指令分析器对已经存放在先行指令缓冲栈里的指令进行预处理,把处理之后的指令送入该栈。各种运算型指令、移位指令、数据传送指令等都要先处理成寄存器-寄存器型(RR型)指令,然后送入先行操作栈。
(3)先行读数栈:
由一组缓冲寄存器和有关控制逻辑等组成。每一个缓冲寄存器由三部分组成,包括先行地址缓冲寄存器、先行操作数缓冲寄存器和标志字段。它是主存储器与运算器之间的一种缓冲存储器,把后续指令要用到的操作数“先行”取出。
(4)后行写数栈
也由一组缓冲寄存器和有关控制逻辑组成。每一个缓冲寄存器必须包括后行地址缓冲寄存器、后行数据缓冲寄存器和标志字段。其中的后行地址缓冲寄存器和后行数据缓冲寄存器不能合用。

“缓冲深度”即各个缓冲栈中的缓冲寄存器个数。
静态分析是通过分析两种极端情况来计算缓冲深度。
一种极端情况是:先行指令缓冲栈从完全充满到全部被取空的过程。
另一种极端情况是:先行指令缓冲栈从完全空到全部被充满的过程。
通常在一般程序中,执行时间短的指令所占的比例要远远大于执行时间长的指令。所以一般采用第一种情况来计算缓冲深度。
数据相关
所谓相关是指在一段程序的相近指令之间有某种关系,这种关系可能影响指令的重叠执行。分为两大类:数据相关和控制相关。
本节主要介绍数据相关,下一节介绍控制相关。
数据相关分为四种:指令相关、主存操作数相关、通用寄存器相关和变址相关。

第k+1条指令本身的内容取决于第k条指令的执行结果,则产生指令相关。
解决指令相关的根本办法是在程序设计中不允许修改指令。

如果发生: 结果地址(k)= 主存操作数地址(k+1)
则发生主存操作数相关。解决主存操作数相关一般采用推后处理法。