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计算机组成原理 中央处理器(CPU) 指令流水线

1227人浏览 / 0人评论 / | 作者:因情语写  | 分类: 计算机组成原理  | 标签: 计算机组成原理

作者:因情语写

链接:https://www.qingyu.blue/article/276

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    一、 如何提高机器速度

    1. 提高访存速度

    高速芯片 Cache 多体并行

    2. 提高 I/O 和主机之间的传送速度

    中断 DMA 通道 I/O 处理机 多总线

    3. 提高运算器速度

    高速芯片 改进算法 快速进位链

    提高整机处理能力

    高速器件 改进系统结构 ,开发系统的并行性

    二、 系统的并行性

    1. 并行的概念

    时间上互相重叠

    2. 并行性的等级

    过程级(程序、进程) 粗粒度 软件实现
    指令级 (指令之间) 细粒度 硬件实现

               (指令内部)

    三、 指令流水原理

    1. 指令的串行执行

  

    取指令 取指令部件 完成 总有一个部件空闲
    执行指令 执行指令部件 完成

    2. 指令的二级流水

    3. 影响指令流水效率加倍的因素

    (1) 执行时间> 取指时间

    取指令部件 指令部件缓冲区 执行指令部件

    (2) 条件转移指令对指令流水的影响

    必须等上条指令执行结束,才能确定下条指令的地址,造成时间损失。解决办法?猜测法

    4. 指令的六级流水 取值-译码-计算操作数地址-取数-执行-写回

    四、 影响指令流水线性能的因素

    1. 结构相关

    不同指令争用同一功能部件产生资源冲突

    程序的相近指令之间出现某种关联,使指令流水出现停顿,影响流水线效率

    2. 数据相关

    不同指令因重叠操作,可能改变操作数的读/写访问顺序

    写后读相关(RAW)

    读后写相关(WAR)

    写后写相关(WAW)

    解决办法:后推法 、 采用旁路技术

    3. 控制相关

    设指令 3 是转移指令

    五、 流水线性能

    1. 吞吐率

    2. 加速比 Sp

    3. 效率

    流水线中各功能段的利用率
    由于流水线有建立时间和排空时间
    因此各功能段的设备不可能一直处于工作状态

    六、 流水线的多发技术

    1. 超标量技术

    2. 超流水线技术

    3. 超长指令字技术

    七、 流水线结构

    1. 指令流水线结构

    完成一条指令分 7 段, 每段需一个时钟周期

    若流水线不出现断流 1 个时钟周期出 1 结果
    不采用流水技术 7 个时钟周期出 1 结果
    理想情况下, 7 级流水的速度是不采用流水技术的 7 倍

    2. 运算流水线

    完成浮点加减运算可分
    对阶、尾数求和、规格化三段

    分段原则:每段操作时间尽量一致

    总结

    数据通路是舞台

    指令系统是演员
    控制系统是导演
    我们要做最好的观众
    综合应用题


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