文档介绍：流水线结构
第一页，共40页
内容简介
计算机系统结构是指机器语言一级的程序员所看到的计算机属性。本章详细介绍流水线技术，包括先行控制技术、流水线原理、流水线性能分析、相关和相关的处理方法、超标量处理机和超流水线处理机等。讨论系统结构中的并行性问题、单机和多机系统中并行处理的实现以及突破冯·诺依曼型结构的新型计算机系统结构。从而了解新一代计算机的发展动向。
第二页，共40页
8-4 新型计算机系统结构
8-3 多处理机
8-2 向量处理机
8-1 流水线技术
本章主要内容
第三页，共40页
流水线技术
提高计算机的处理速度就要提高处理机指令执行的速度，人们采取的办法通常有三种：
1．提高处理机的工作主频。
2．采用更好的算法和设计更好的功能部件。
3．采用指令级并行技术。
3是目前和将来提高处理机指令执行速度的一条主要途径。
第四页，共40页
8-1-1 先行控制技术
1．指令的重叠执行方式
处理机在执行多条指令时，有多种执行控制方式：顺序方式、重叠方式、先行控制方式、流水线控制方式等，我们先从最简单的来讲。一条指令的执行过程可以分为多个阶段，通常，把—条指令的执行过程分为3个阶段。
取指令 分析指令 执行指令
时间 t
第五页，共40页
取指令阶段：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。
分析指令阶段：对指令的操作码进行译码后，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或寄存器中。
指令阶段：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。
第六页，共40页
指令的几种执行方式
第七页，共40页
假设取指令、分析指令和执行指令的时间都相等，每段的时间都为t，执行一条指令的时间为T1，则T1=t取指令+t分析指令+t执行指令=3t，
（1）顺序执行方式
如图8－2（a）所示，采用顺序执行方式执行n条指令所用时间为：
Tn=3t×n=3nt
（2）一次重叠执行方式
如图8－2（b）图所示。这是一种最简单的重叠方式，把执行第k条指令与取第k十1条指令同时进行。则执行n条指令所用的时间为：
Tn=3×t+2t×（n-1）=（1+2n）t
（3）二次重叠执行方式。
如图8－2（c）所示，我们如果把取第k十1条指令提前到与分析第k条指令同时进行，那么，分析第k十l条指令会与执行第k条指令同时进行，则执行n条指令所用的时间为：
T=3×t+t×（n-1）=（2+n）t
第八页，共40页
采用一次重叠执行方式，指令的执行时间缩短了近二分之—，而且各功能部件在并行工作，利用率明显提高。
采用二次重叠执行方式能够将指令的执行时间缩短近三分之二，进—步提高了指令的执行速度。但是处理机中同时在取指令、分析和执行指令，因此，要把顺序执行方式中的一个集中的指令控制器分解为三个相对独立的控制器来同时发出三种控制信号，它们是主存储控制器，指令控制器，运算控制器。另外，在指令分析或指令执行过程中都要访问主存储器取指令，存在解决访问主存储器的冲突问题。
现代计算机的指令系统非常复杂，我们前面假设的情况是一种理想状态，在实际当中，各种指令难以做到“分析”与“执行”时间始终相等，所以二次重叠执行方式是—种理想的指令执行方式。
第九页，共40页
2．先行控制技术
要解决二次重叠执行方式中存在的访问主存储器的冲突问题，方法有三种：
第一，把主存储器分成两个独立编址的存储器，一个专门存放指令，称为指令存储器，另一个专门存放操作数，称为数据存储器。两个存储器同时独立访问，解决了取指令和读操作数的冲突。
第二，指令和数据仍然混合存放在同一个主存作储器内，采用低位交叉存取方式。
第三，解决访问存储器冲突的根本办法是处理机结构作较大的改变，采用先行控制技术。
第十页，共40页