2019年4月1日星期一
第五章 重叠、流水和向量处理机
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一、重叠解释方式
2）通用寄存器相关 解决方法：采用设置R1和R2的相关专用通路来解决。 理论依据：通用寄存器组的数相关发生的概率很高，牺牲空 间换取时间。
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第五章 重叠、流水和向ຫໍສະໝຸດ 处理机15二、流水方式
“流水线”(pipeline)是Intel首次在486芯片中开始使用的。 流水线的工作方式就像工业生产上的装配流水线。在CPU中由 5～6个不同功能的电路单元组成一条流水线来处理指令，然 后将一条指令分成5～6步，再由这些电路单元分别执行，这 样就能实现在一个CPU时钟周期内完成一条指令，因此可大大 提高CPU的运算速度。
2 指令的执行过程： 取指 分析 执行
取指：按PC的内容访存，取指令到指令寄存器中； 分析：对指令操作码译码，利用地址字段通过寻址方式产 生操作数真地址，并取回操作数，形成下条指令的地址； 执行：对操作数运算，并存储运算结果。
一、重叠解释方式
3 顺序解释
取指 分析 执行
指令的顺序解释方式指的是指令与指令之间顺序串行，指令内 的各个微操作之间也是顺序串行的。即：只有当前指令执行完 后，才能开始下条指令的运行。 优点：每条指令转入下条指令的时间关系是确切的，指令间 相互的关联关系易于得到控制和处理。 缺点：程序解释的速度低，系统内各部件的时间利用率低。
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一、重叠解释方式
6 “一次重叠”方式的相关控制 1）主存空间数据相关 主存空间数相关是在相邻指令之 间出现了对主存同一单元要求在 先的指令必须先完成写，在后的 指令才能读的“先写后读”相关。 例如： K: add A1,A2,A3
K+1: add A4,A1,A5
取指k 分析k 执行k 取指k+2 分析k+2 执行k+2
有什么 缺点？ 如何改 进？
取指k+1 分析k+1 执行k+1
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一、重叠解释方式
缺点：会造成访存冲突； 解决办法： 思路一：分别设置各自独立编址的数据存贮器和指令存贮器， 让存、取操作数和取指令可同时访存；
“一次重叠”方式的定义及好处。
在给出了指令之间各种微操作时间重叠关系的要求之后，能够 熟练地计算出连续执行完N条指令需要花费的全部时间。
本章的基本要求(2)
领会流水方式的工作原理。 了解从不同角度对流水线的分类和定义。
熟练掌握有关流水线时空图的画法。在给出的流水线上，能够 计算出流水的最大吞吐率，及解具体题目所达到的实际吞吐率、 效率和加速比。 掌握为消除流水线速度性能瓶颈可采用两种不同途径的时空图 画法、吞吐率和效率的计算。
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一、重叠解释方式
2）通用寄存器相关 通用寄存器相关相关是指在相邻指令之间出现了对同一寄存器 要求在先的指令必须先完成写，在后的指令才能读的“先写后 读”相关。例如： K: op R1,A2
K+1: op R1,R2
其中：源操作数（ k+1）=目的操作数（k）
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一、重叠解释方式
执行k 5 一次重叠 分析k+1 执行k+1 一次重叠：任何时刻都只有指令K的执行过程与指令K+1的分 析过程相互重叠。 采用“一次重叠”的好处是系统只需要一套指令分析部件和 一套指令执行部件，节省了硬件，也简化了指令之间的相关 控制。为了使“一次重叠”方式的系统能有较高的重叠效率， 应使“分析”和“执行”的时间尽可能调整成一样的。 分析k
在双功能静态流水线上，根据给出的具体计算式，能调整其操 作的流入顺序；在满足尽可能高的性能条件下，画出执行此计 算式相应的流水时空图；计算出此时的实际吞吐率、效率和加 速比。
本章的基本要求(3)
熟练掌握在单功能非线性流水线上所采用的任务流入流水线 的最佳调度方案，求出此时的极限吞吐率。 按最佳调度方案实际调入流水线若干个任务，能画出在此情况 下流水线工作的时空图，并计算出实际的吞吐率和效率。
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一、重叠解释方式
6 “一次重叠”方式的相关控制 1）主存空间数据相关 解决方法： 采取推后后续指令对相关单元的读操作的办法来解决。 理论依据：
发生主存空间数相关的概率很低，牺牲时间换取空间
具体措施：对访存申请进行排队时，让访存的“写”申请优先 于“读”申请。
第五章
重叠、流水和向量处理机
概
本章着重讲述
述
在计算机组成设计中，如何通过采用重叠和流水等控制方式来 提高解释机器语言程序的速度。介绍这些控制方式的基本原理， 所用的控制机构，实现中要解决的问题和办法，以及对其性能 的分析。 目标：采取什么方式可以加快机器指令的解释速度。
本章的基本要求(1)
领会重叠方式的工作原理； 采用重叠方式工作时，对计算机在组成设计上的要求；
一、重叠解释方式
1 提高指令执行速度的途径有如下三种： 提高处理机的工作频率； 采用更好的算法；如采用RISC技术以减少执行指令的平均周 期数； 多条指令并行执行； 也称为指令级并行技术，是目前和将来的主要途径，其中又 有三种基本方法： 重叠技术； 流水技术； 超长指令字技术；
一、重叠解释方式
取指k 分析k 执行k 取指k+1 分析k+1 执行k+1
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一、重叠解释方式
4 重叠解释 指令的重叠解释方式是在相邻的指令之间，让取指令、分析、 执行各部分的操作在时间上错开重叠地进行，而指令内部的 微操作仍然是顺序串行的。重叠解释不能加快每条指令的解 释速度，但在硬件增加不多的情形下，可以加快相邻两条指 令以及整段程序的解释，使系统的性能价格比有显著提高。
思路二：让主存用逻辑上统一编址的多分体交叉访问的并行 组成方式。
思路三：在硬件上，增设有一定容量的指令缓冲器和数据缓 冲器，让主存抽空将预取的指令存入指令缓冲器，或将要写入 的数据暂时存入数据缓冲器中。 现状：目前多采用第二、三种办法的组合，形成一次重叠。
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