第 9 章 处理器性能提高技术,9.1 精简指令集计算机技术 9.2 指令流水线技术 9.3 浮点数据处理单元 9.4 多媒体指令,9.1 精简指令集计算机技术,精简指令集计算机技术起源 向量巨型机CRAY-I：精简指令、面向寄存器操作 IBM 801小型机：单周期固定格式指令、高速缓冲存储器以及编译技术相结合 RISC-I：第一个精简指令集计算机处理器芯片 在高档的工程工作站得到广泛应用 最新开发的处理器普遍采用精简指令集计算机设计思想,Simple but elegant,9.1.1 复杂指令集和精简指令集,复杂指令集计算机CISC 指令系统丰富、程序设计方便、程序短小、执行性能高 处理器硬件复杂，不易使用先进的流水线技术，导致其执行速度和性能难以进一步提高 精简指令集计算机RISC 指令系统很简单，只有少数简单、常用的指令 处理器硬件简单，比较方便地实现优化,80%和20%规律,处理器性能公式,处理器执行时间＝IC×CPI×T IC＝程序的指令条数 CPI＝执行每条指令所需的平均时钟周期数 T＝每个时钟周期的时间（时钟频率的倒数） 处理器执行程序时间越少，计算机性能越高 减少时钟周期时间T，即提高时钟频率 CISC通过使用复杂指令减少IC RISC使用简单指令减少CPI,相互借鉴、共同提高,9.1.2 RISC技术的主要特点,指令条数较少 寻址方式简单 面向寄存器操作 指令格式规整 单周期执行 先进的流水线技术 编译器优化 ……,Load-Store结构,9.2 指令流水线技术,洗衣房的流水作业 三个阶段： 1. 水洗(30) 2. 烘干(40) 3. 熨烫(20),9.2.1 指令流水线,1. 流水线思想,指令流水线技术：把执行指令这个过程分解成多个子过程，执行指令的功能单元也设计成多个相应的处理单元，多个子过程在多个处理单元并行操作，同时处理多条指令 没有减少每个指令的执行时间 有助于减少整个程序（多条指令）的执行时间 指令流水线开始需要“填充时间（Fill）”，最后有一个“排空时间（Drain）”,要发挥流水线效率需要连续不断地处理指令,不要断流,时空图,指令流水线的时空图,返回,执行N条指令 串行顺序执行方式：5N 理想的流水线操作：N＋4,2. 流水线中的指令相关,指令相关：指令之间存在相互依赖关系 常使下一条指令无法在设计的单位时间内执行 导致流水线的“断流”，性能降低 有三种类型的指令相关 资源冲突：当指令重叠执行过程中，硬件资源满足不了指令重叠执行的要求 数据相关：在同时执行的多条指令中，一条指令依赖前一条指令的执行结果(数据)无法得到 控制相关：流水线遇到分支指令或其他改变PC值的指令,数据旁路,分支预测,预取分支目标,9.2.2 80486的指令流水线,5级指令流水线，每级1个时钟周期 PF指令预取（prefetch） D1指令译码1（decode stage 1） 对所有操作码和寻址方式信息进行译码 D2指令译码2（decode stage 2） 将操作码扩展为ALU控制信号，存储器地址计算 EX指令执行（execute） 完成ALU操作和Cache存取 WB回写（write back） 更新在EX步骤得到的寄存器数据和状态标志,数据旁路（直通）,MOV reg1, mem1 ADD reg1, reg2 MOV mem2, reg1,数据相关,流水线停顿,MOV reg1, mem1 ADD reg2, [reg1],数据相关,预取分支目标,CMP reg, immJC target…… target：,结构相关,9.3 浮点数据处理单元,传统的处理器或简单的微控制器只有整数处理单元 有些实数经过移动小数点位置，可以用整数编码表达和处理，但可能要损失精度 实数经过一定格式转换后，完全用整数指令仿真，但处理速度难尽人意 计算机表达实数要采用浮点数据格式 x87 FPU（Floating-Point Unit） Intel 80x87浮点协处理器与80x86处理器配合 80486及以后的IA-32处理器集成浮点处理单元,9.3.1 实数编码,实数（Real Number）的科学表示法表达-123.456＝-1.23456×102 包括三个部分 指数：反映数据的大小或量级 有效数字：反映数据的精度 符号位：表达数据的正负 实数是一个连续系统，理论上可以表示任意大小与精度的数据 计算机表达实数的浮点格式采用科学表达法，精度和大小有限，表达的数值离散，只是实数系统的一个子集,1. 浮点数据格式,符号（Sign） 表示数据的正负 在最高有效位（MSB） 负数＝1，正数＝0 指数（Exponent）＝阶码 表示数据以2为底的幂 恒为整数，使用偏移码表达 有效数字（Significand） 表示数据的有效数字，反映数据的精度 一般采用规格化形式，是一个纯小数 尾数（Mantissa）、小数或分数（Fraction）,示意图,浮点数据格式,返回,有效数字位数越多，表达数值的精度就越高 指数位数越多，表达数值的范围就越大,单精度浮点格式,双精度浮点格式,2. 浮点阶码,标准偏移码 N位偏移码＝真值＋2N 标准偏移码的真值＝偏移码－2N IEEE 754标准浮点阶码 全0、全1两个编码用作特殊目的 单精度浮点数据 真值＝浮点阶码－127，浮点阶码＝真值＋127 双精度浮点数据 真值＝浮点阶码－1023 浮点阶码＝真值＋1023,3. 规格化浮点数,通常使用的浮点数据是规格化浮点数 有效数字表达的数值：1.XXX…XX 去除前导0 最高位恒为1，隐含一个整数1 小数点在最左端 有效数字只表达小数部分,1≤有效数值＜2,〔例9-1〕把浮点格式数据转换为实数表达,某个单精度浮点数如下：BE580000H＝1011 1110 0101 1000 0000 0000 0000 0000 B＝1 01111100 10110000000000000000000 B 符号位为1，表示负数 指数编码是01111100，表示指数＝124－127＝－3 有效数字部分是1011000000000000000表示有效数＝1.1011 B＝1.6875 这个实数为：－1.6875×2－3＝－1.6875×0.125＝－0.2109375,〔例9-2〕把实数转换成浮点数据格式,100.25＝0110 0100.01B＝1.10010001B×26 符号位＝0 指数部分是68位阶码为10000101（＝6＋127＝133） 有效数字部分是10010001000000000000000 100.25表示成单精度浮点数为：0 10000101 10010001000000000000000B＝0100 0010 1100 1000 1000 0000 0000 0000 B＝42C88000H,4. 非规格化浮点数,浮点格式的规格化数表达的实数有限 下溢（Underflow）：比最小数还要接近0 上溢（Overflow）：比最大数还要大 单精度浮点规格化浮点数范围 ±1.18×10－38～±3.40×1038 非规格化浮点数 指数编码为全0表示－126 有效数字仅表示小数部分、但不能是全0 能够表示到±1.40×10－45,非规格化浮点数表示下溢,5. 零和无穷大,机器零：真值0的浮点数据格式 指数和有效数字的编码都是全0 符号位可以是0或1，分成＋0和－0 无穷大：大于最大数的真值的规格化浮点数 指数编码为全1，有效数字编码为全0 正无穷大（＋∞）和负无穷大（－∞） 非数NaN：特殊的编码，不是实数的一部分 指数编码是全1、有效数字编码不是全0,示意图,浮点数据类型,返回,9.3.2 浮点寄存器,x87 FPU浮点执行环境的寄存器 8个浮点数据寄存器 标记寄存器 状态寄存器 控制寄存器,处理器需要寄存器协助进行操作,1. 浮点数据寄存器,8个浮点数据寄存器，编号FPR0～FPR7 80位浮点寄存器存储扩展精度格式数据 采用早期处理器的堆栈结构 8个数据寄存器不是随机存取 按照“后进先出”的堆栈原则工作 并且首尾循环 浮点数据寄存器常被称为浮点数据栈 每个FPR寄存器对应一个2位标记（Tag） 8个标记组成一个16位标记寄存器,示意图,浮点数据寄存器,返回,2. 浮点状态寄存器,堆栈标志 TOP字段指明当前栈顶 SF和C1表达堆栈上溢和下溢 C3/C2/C0保存比较结果 异常标志：反映浮点运算可能出现的异常 PE精度异常 UE下溢异常 OE上溢异常 ZE被零除异常 DE非规格化操作数异常 IE非法操作异常,3. 浮点控制寄存器,异常屏蔽控制（Mask Control） 决定6种错误是否被屏蔽 x87 FPU初始化后默认屏蔽所有异常 精度控制（Precision Control） 控制浮点计算结果的精度 程序通常采用默认扩展精度 舍入控制（Rounding Control） 控制浮点计算采用的舍入类型 默认采用就近舍入（偶）,示意图,浮点状态和控制寄存器,返回,浮点状态寄存器,浮点控制寄存器,舍入控制,〔例9-3〕把实数0.2转换成浮点数据格式,0.2＝0.001100110011 B＝1.100110011 B×2－3 符号位＝0 指数部分是－3，8位阶码为01111100 有效数字是无限循环数取前23位：10011001100110011001100后面是110011B，默认最近舍入，进位1有效数字编码是：10011001100110011001101 这样，0.2表示成单精度浮点数为：0 01111100 10011001100110011001101 B＝0011 1110 0100 1100 1100 1100 1100 1101 B＝3E4CCCCD H,9.3.3 浮点指令及其编程,x87 FPU具有自己的指令系统 共有几十种浮点指令 指令助记符均以F开头 常用的指令类型：浮点传送指令、浮点算术运算指令、浮点超越函数指令、浮点比较指令和FPU控制指令 浮点指令的操作数寻址方式： ① 隐含寻址：在当前数据寄存器顶ST(0) ② 寄存器寻址：在指定的数据寄存器栈ST(i) ③ 存储器寻址：在主存中,1. 浮点传送指令,取数指令FLD 从存储器或浮点数据寄存器取得数据 并压入（Push）浮点寄存器栈顶st(0) 存数指令FST 浮点数据寄存器栈顶数据存入主存或另一个浮点数据寄存器，寄存器栈没有变化 存数且出栈指令FSTP 执行相应存数指令功能 并弹出（Pop）浮点寄存器栈顶,示意图,浮点数据寄存器栈的操作,返回,〔例9-4〕浮点传送程序－1,; 数据段 00000000 42C88000 3E4CCCCD f32d real4 100.25,0.2 ; 单精度浮点数 00000008 BFCB000000000000 f64d real8 -0.2109375 ; 双精度浮点数 00000010 4023BABAECD400000000 f80d real10 100.25e9 ; 扩展精度浮点数 0000001A 00000000 00000000 varf real4 ?,? 00000022 3E4CCCCD i32d dword 3e4ccccdh ; 0.2的编码,〔例9-4〕浮点传送程序－2,; 代码段finit ; 初始化FPUfld f32d ; 压入单精度浮点数f32dfld f64d ; 压入双精度浮点数f64dfld f80d; 压入扩展精度浮点数f80dfldpi ; 压入π（3.1415926…）fst varf; 将栈顶数据π传送到变量VARFfstp varf+4; 将栈顶数据π弹出到变量VARF+4,〔例9-4〕浮点传送程序－3,mov eax,dword ptr f32d+4; 取0.2（二进制编码）cmp eax,i32d ; 比较编码是否相同jz dispymov al,'N' ; 不相同，显示Njmp dispn dispy: mov al,'Y' ; 相同，显示Y dispn: call dispc,。