【免费】计算机体系结构-第5章-20201资源-CSDN文库

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第五章流水线和向量处理机

Summarized by Pengxiang Li

5.1 重叠方式

5.1.1 重叠原理和一次重叠

1. 基于时间重叠技术

2. 重叠解释执行两条或多条指令，加快程序的执行

3. 顺序解释执行方式：

a) 指令之间串行执行其指令内微操作也串行

b) 执行 n 条指令所用的时间为：

i.

ii. 如果每段时间都为 t，则执行 n 条指令所用的时间为： T=3nt

c) 优点：简单、易于实现

d) 缺点：速度难以提高，部件利用率低

4. 一次重叠执行方式

a) 每次只重叠执行两条指令故称为一次重叠

b) 特点：在第 K 条指令完成之前就开始处理第 K+ 1 条指令重叠执行两条指令

i.

c) 优点：

i. 虽不能加快一条指令的执行但能加快相邻两条指令以至一段程序的执行加

快相邻指令或一段程序的执行。指令的执行时间缩短了近二分之一

ii. 提高了部件利用率

d) 缺点：

i. 需要增加一些硬件

ii. 控制过程较为复杂

5. 二次重叠执行方式

a) 每次重叠执行三条指令

b) 如果三过程的时间相等执行 n 条指令的时间为： T=( 2 +n)t

c) 采用二次重叠执行方式能够使指令的执行时间缩短近三分之二。

6. 重叠执行对计算机组成的要求

a) 问题一：功能部件冲突

i. 为实现执行 k 与分析 k+ 1 的重叠，必须在硬件上保证有独立的取指、指

令分析和指令执行部件。

ii. 解决：花费一定的硬件代价分别设置独立的取指部件、指令分析部件、

指令执行部件；

iii. 三个子过程都有独立的控制器：存储控制器、指令控制器、运算控制器

b) 问题二：访存冲突

i. 同一时间取指 k+1 和分析 k 都要访存，主存在同一时间只能访问一个存储单

元。

ii. 解决方法（四种）：

1. 采用两个独立编址、可同时访问的的存储器分别存放操作数和指令。

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。但增加了主存总线控制

的复杂性和软件设计的麻烦

2. 维持操作数和指令的混存在主存中，但是设置两个 cache：指令 cache 和

数据 cache

（哈佛结构）

3. 维持操作数和指令的混存采用多体交叉存储器采取低位交叉存取方式

让第 k 条指令的操作数和第 k+ 1 条指令存放在不同的存储体。但这种

方法有一定的局限性不能从根本上解决冲突

4. 在主存和指令分析部件之间增设 FIFO 的指令缓冲寄存器又被称为先

行指令缓冲站。利用主存的空闲预先将下一条或下几条指令取入指缓

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

c) 问题三：同步

i. 执行和分析所需要的时间常常不完全相同指令分析部件和指令执行部件

经常要相互等待从而造成功能部件的浪费

ii.

iii. 解决方法：采取先行控制技术

1. 先行控制 Look ahead 技术的关键是缓冲技术和预处理技术以及这

两者的相结合。

2. 预处理技术：早些取来指令和操作数。把进入运算器的指令都处理成寄

存器寄存器型 RR 型指令它与缓冲技术相结合为进入运算器的指令

准备好所需要的全部操作数；

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