计算机组织与结构第7章

《计算机组织与结构第7章》由会员分享，可在线阅读，更多相关《计算机组织与结构第7章（98页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第7章 重叠与流水方式 任课教师：李静梅 主要内容 1.重叠解释方式的基本思想 2.相关处理方法 3.流水方式 4.流水机器的相关处理和流水线调度 7.1 重叠解释方式的基本思想 计算机组成设计为了加快机器语言的 解释过程，通常采取： 选用更高速的器件、采用更好的运算方 法、提高指令内各微操作的并行程度、 减少解释时所需要的拍数。 通过控制机构同时解释两条或多条以至 整段程序也可以加快机器语言的解释方 式。 7.1.1 微操作解释方式 一条机器指令的执行通常可以分为取指、分析 与执行三个阶段。 取指：按主存地址访主存，取该指令送入指令 寄存器。 分析：对操作码进行译码，按操作数的寻址方 式取操

2、作数（可能访主存，也可能访寄存器）。 取指分析执行 执行：对操作数进行处理和运算，或存结果（ 此时，又可能访主存）。 在这三个阶段中的每一个阶段都有可能发生 对主存的访问。 7.1.2 顺序解释与重叠解释 1顺序解释： 如果机器指令的解释是顺序实现的，则三条相邻 的指令的执行过程就应该为： 下一条指令的地址，总是在本条指令的末尾形成 的。由此，容易得到这种顺序解释方式的优点与不 足。 优点：控制简单。 缺点：速度慢，部件的利用率低。 例如： 主存 运算器 取指或取操作数 忙 空闲的 对操作数运算 空闲的 忙 2重叠解释：在解释第k条指令的操作完成之前， 就可以开始解释第k+1条指令。 注意：重

3、叠并不能加快一条指令的执行，但可以加快 相邻两条以至一段程序的总的解释时间。 当然，这仅仅是重叠的一种方式，还有诸如I/O指令 与其它指令间的重叠等，例如通道处理机方式也属于 重叠的一种方式。 7.1.3 重叠对计算机组成的要求 1访主存冲突：由于通常指令和操作数混存在同一 主存内，而且主存同时只能访问一个存储单元。如 果不解决访主存冲突，则分析k与取指k + 1便无法 实现重叠。 (1)指令和数据分体存放，且独立 编址，两个分体要满足可同时访问。 解决方法： (2)指令和数据分体存放，但统一编 址，只要不发生分体冲突即可。 (3)增设指令缓冲寄存器，如下图所示 。 2部件要独立：要有独立的指

4、令分析部件 地址 加法器。 独立的指令执行部件 操作数加 法器。 3控制上要同步：尽管“分析”与“执行”所需的 时间可能不同，但只要在硬件上解 决好同步问题，还是可以做到一次 重叠的。下图所示的指令的分析与 执行所需的时间并不相同，但仍然 存在一定时间上的重叠机会，所以 ，只要能做到控制上的同步操作， 重叠执行仍然可以实现。 一次重叠的好处：省硬件，只需一套分析部件和 执行部件，控制简单。 多次重叠：多套相同功能部件，当然控制会复杂 化，如果一次重叠满足不了速度上的要求，可采 用流水。 4减少条件转移指令的使用：在下图中，由于存 在条件转移指令，所以可能会造成流水线的停顿 现象，为此要求在程序

5、中尽量少用条件转移指令 以避免降低流水线的效率。 5相关问题 指令相关 数相关 寄存器相关 相关：由于程序中的邻接机器指令之间出现某 种关联，使得它们同时被解释，可能出错的现象 。 （1）指令相关：如果经第k条指令的执行形成第 k+1条指令，即指令在执行时是允许被修改的，则 会发生指令相关。 因为在第k条指令的末尾才形成k+ 1条指令， 而按照一次重叠，分析k+1所分析的是早已取入指 缓的旧内容，故会出错。显然，指缓越大，发生 指令相关的概率也越高，为了判断与哪些指令相 关的比较次数也越多，这些势必会影响机器的整 体效率。 （2）数相关：在下图中存在着数据相关现象，即 第K条指令的运算结果正好

6、是第K+1条指令所需要 的操作数。那么在顺序解释阶段，这样的相邻指 令在执行过程不会产生问题。但在重叠解释过程 中，由于上一条指令的执行结果还没有存回相应 的目的地址中时，下一条指令已经目的单元地址 中的旧数据取出并进行了分析，所以会产生错误 。这便是数据相关。 7.2.1 指令相关的处理 一旦发生指令相关，就得让取进指缓的相关指令 作废，并发生重取、更换指缓中内容的情况。这 会使操作控制复杂，增加了辅助操作时间，还要 花一个主存周期去访存重新取指，速度受到影响 。 解决方法1：不允许修改指令。 解决方法2：增设新指令“执行指令”，将指令相 关变成数相关，统一用处理数相关的方法来解决 。 7.

7、2 相关处理方法 例如：IBM 370机为了解决指令相关，新增加了一 条“执行指令”，该指令的格式为： 有了这条新指令的代码编写如下图所示。操作数 区的“逻辑或”运算提高了指令被修改的灵活性 。 执行R1X2B2D2 7.2.2主存空间数相关的处理 主存空间数相关是指相邻两条指令之间出现要求 对同一主存单元先写入而后再读出的关联，如下 图所示。 解决方法：推后读。即由存控将“写数”的 优先级高于“读数”的优级即可如下图所示。这 种解决问题的方式是以牺牲时间为代价的。 7.2.3通用寄存器组相关的处理 设机器的指令格式为： L1，L2，L3分别为第一、第二和结果寄存器代号。 B2：存放基值或变址

8、值的寄存器代号。 D2：相对位移量。 操作码L1L3B2D2 操作码L1L3L2 通用寄存器在不同的应用中，所对应的微操作的 执行时间是不相同的，如下图所示。正是由于寄 存器在应用中可能用做基址变址值或用于存放操 作数，所以，它们被强制要求在一条指令的不同 阶段准备好就可以了。 正因为要求它们准备好数据的时间不同，对通用 寄存器数相关与通用寄存器基址/变址相关的处理 方法也有所不同。 通用寄存器组相关分为： 1通用寄存器数相关 2通用寄存器基址/变址值相关 1通用寄存器数相关：设“分析”与“执行”的周 期与主存周期都是4拍，如下图所示，其中B和C是 运算器中的两个寄存器。 假定通用寄存器做在一

9、个片子上，且发生了： L1相关：L1 (k + 1) = L3 (k) L2相关：L2 (k + 1) = L3 (k) 解决措施： 推后4拍： 推后2拍 ： 以牺牲速度，不增加硬件为前提。 (2)设置相关专用通路：通过增加硬件专用通路的 方式解决相关问题，如下图所示。 在上图中，当发生L1和L2相关时，让相关专用通路 接通，“执行k”的结果送通用寄存器组的同时， 也回送到B或C寄存器。就是说，原先将通用寄存 器的旧内容经数据总线分别在“分析k+1”的第3 拍或第4拍末送入了B或C中，但之后经相关专用通 路在“执行k+1”真正用它之前，B和C又重新获得 了第k条指令送来的新结果。 相关概率高时

10、，可采用相关专用通路。像主存数 相关要比寄存器组数相关低得多，所以通常采用 推后读。 2寄存器组基址值或变址值相关：下图是典型的 通用寄存器基值变址值相关。 B的一次相关：B(k+1)=L3(k) B的二次相关：B(k+2)=L3(k) 由于运算结果是在“执行”周期的末尾送于通用 寄存器组的，它不可能立即出现在通用寄存器输 出总线上。即k的运算结果来不及作为“分析 k+2”的基址值用，当然分析k+1就更来不及。 解决措施：(1)推后读 (2)设置相关专用通路 (1)推后读：该方法解决相关时的推后情况如下图 (a)、(b)所示。只需推后到分析K+2或K+1开始执 行时，K的运算结果出现在寄存器的

11、输出总线上即 可。 (a) B二次相关的推后处理 (b)B一次相关的推后处理 (2)增设相关专用通路：如下图所示。相关专用通 路只是节省了在上图中的虚线圆卷这部分的推后 读时间，对B的一次和B的二次相关都如此。 7.3 流水方式 7.3.1基本概念 1.流水是重叠的引申 一次重叠是把一条指令的解释分解为两个子过程 ，分析和执行，而流水则是分解为多个子过程， 如下图所示。前者同时解释两条指令，而后者可 同时解释多条指令，但两种方式都只需一套硬件 设备，所以叫一次重叠，否则叫多次重叠。 一次重叠的指令流水线 将分析过程进一步分解为取指令和指令译码， 将执行也分解为取操作数和执行，且假定每个子 过程

12、的执行时间 , =1/2* ，则指令流水 线的时空图如下图（b）所示。 (a)指令解释的流水处理 (b)流水线时-空图 最大吞吐率Tp max：单位时间内机器所能处理 的最多指令数或机器能输出的最多结果数。 流水线正常满负荷工作时，才能每隔t时间 流出一个结果，达到最大吞吐率。但流水线总有 第一条指令的建立时间和最后一条指令的排空时 间，这段时间里，流水线并没有结果输出，所以 通常Tp m时，才 能使实际吞吐率TP接近于理 想的最大吞吐率TP max。 3.加速比SP：加速比用来表明采用流水处理后速 度提高的程度。 可见：仅当n m时，SP才趋于最大值m，即流水 处理的效率能提高到是顺序处理效

13、率的m倍。m是 流水线上的子过程数或段数。 极端情况：n=1时，由于m的增多，锁存器也增多 ，从而实际上增大了任务从流入到流出的流水线 通过时间，以至于其速度反而比顺序串行的还要 低。 当m段中的各段时间 不等时，设 ，则有： 4效率 效率 ：也称流水线设备的时间利用率，是设备 实际使用时间占整个设备运行时间的比值。 如果是线性流水线，且m段的经过时间都相同，都 是 ，共处理n条指令，如下图所示。其中 ， 表示第i个设备的总的工作时间， 表示第i个设备 的效率，表示流水线的平均效率。 第i个设备的效率图 由上图可知： 即只有n m时， 当然， 当流水线各段经过时间不等时，各段的效率也会 不等，

14、平均效率与每段的效率有关。 =(n个任务实际占用的时-空区域)/(m个段占用 的总的时-空区域) 加权问题：由于各子过程的重要性、数量、价格 等的不同，而赋以不同的权值 ，则有： 例1：流水线工作举例，设有A和B两个向量，各含有 4个元素，求向量的点积 要求在已知的静态 双功能流水线上完成运算，同时画出时-空图，并 求该流水线的Tp、Sp和 解：根据已知条件可知， , 则有 即A与B的点积结果C只含有一个元素C11，为了 求得该结果需做4次乘法和3次加法运算。如果中 间输出结果可直接反馈到输入端或暂存，延迟时 间即可忽略不计，则求解过程如下图。 例1的时-空图 虽然设备利用率不足1/3，但解题

15、速度却提高为串 行的1.6倍。 例2：假设一条指令的解释可分为取指、分析和执 行3步，每步的时间相应地位t取指、t分析和t执行。 （1）分别计算下列三种情况下，执行完100条指令 所需时间的一般关系式： 顺序执行。 仅“执行k”和“取指k+1”的一次重叠。 “执行k”、“分析k+1”和“取指k+2”的 重叠。 （2）分别在 t取指=t分析=2，t执行=1 t取指= t执行=5，t分析=2的情况下，求上述a、 b、c的各结果。 情况b的一般图形表现方式 情况c的一般图形表现方式 解： （1）通过左图表现方式可知： T =100*（t取指 +t分析 +t执行 ） T =t取指 +100 * t分析

16、 +99*maxt取指, t执行+t执行 T =t取指 +maxt分析,t取指 +98*maxt取指,t分析, t执行 + maxt执行,t分析+t执行 （2）把具体数值代入（1）的表 达式，求结果即可。 例3：某流水线由4个功能部件组成，每个功能部 件的延迟时间均为 。当输入10个数据后，间歇 5 ，又输入10个数据，如此周期性地工作，若连 续输入m组数据，求此时流水线的吞吐率，并画出 时-空图。 解：根据已知条件，画出时-空图如下图所示 根据时-空图，容易计算出： 例4：有一具有双输入端的静态加、乘双功能流水 线，由1、2、3、4四个段构成，延时分别为 、 、2 和 ，“加法”由124组成，“乘法” 由134组成，输入可直接返回或锁存，现要求 （1）画出流水线结构图。 （2）画出