******三十二******、软设笔记【计算机体系结构】流水线技术

流水线技术


流水线技术是指在程序执行时&＃xff0c;多条指令重叠进行操作的一种任务分解技术。把一个任务分解为若干顺序执行的子任务&＃xff0c;不同的子任务由不同的执行机构来负责执行&＃xff0c;而这些执行机构可以同时并行工作。






&＃xff08;1&＃xff09;计算执行时间


假定有某种类型的任务&＃xff0c;可以分为N个子任务&＃xff0c;每个子任务需要时间t&＃xff0c;则完成该任务所需的时间为N x t。


*若以传统的方式&＃xff0c;完成k个任务需要的时间是kNt。


*使用流水线技术&＃xff0c;花费的时间是Nt &＃43; (k-1)t。


注意&＃xff0c;如果每个子任务所需的时间不同&＃xff0c;其时间取决于执行顺序中最慢的那一个。


<1>流水线的吞吐率


指在单位时间内流水线所完成的任务数量或输出的结果数量。


TP &＃61; n / Tk






n为任务数&＃xff0c;Tk是处理完成n个任务所用的时间






<2>加速比


是指不采用流水线的执行时间/采用流水线的执行时间。


用来衡量并行系统或程序并行化的性能和效果。






&＃xff08;2&＃xff09;影响流水线的主要因素


*转移指令&＃xff1a;因为前面的转移指令还没有完成&＃xff0c;流水线无法确定下一条指令的地址&＃xff0c;因此也就无法向流水线中添加这条指令。


*共享资源访问的冲突&＃xff1a;后一条指令需要使用的数据&＃xff0c;与前一条指令发生冲突&＃xff0c;或者相邻的指令使用了相同的寄存器


*响应中断&＃xff1a;当有中断请求时&＃xff0c;流水线也会停止。对于这种情况有两种响应方式&＃xff1a;


>精确断点法&＃xff1a;立即停止&＃xff0c;这种方法能够立即响应中断&＃xff1b;


>不精确断点法&＃xff1a;流水线中的指令继续执行&＃xff0c;不再新增指令到流水线。






一、指令系统


指计算机所能执行的全部指令的集合&＃xff0c;它描述了计算机内全部的控制信息和“逻辑判断”能力。


一条指令包括&＃xff1a;


*操作码


*地址码






根据地址码代表的地址类型&＃xff0c;指令系统可以分为&＃xff1a;


*立即寻址


*直接寻址


*剪接寻址


*寄存器寻址


*寄存器间接寻址






二、RISC与CISC


*为提高操作系统的效率&＃xff0c;人们最初选择向指令系统中添加更多、更复杂的指令来实现&＃xff0c;导致指令集越来越大。这种类型的计算机&＃xff0c;称为复杂指令集计算机&＃xff08;CISC&＃xff09;。


*对指令数目和寻址方式做精简&＃xff0c;指令的指令周期相同&＃xff0c;采用流水线技术&＃xff0c;指令并行执行程度更好&＃xff0c;这类是精简指令集计算机&＃xff08;RISC&＃xff09;。










复杂指令系统计算机&＃xff08;CISC&＃xff09;的主要特点


&＃xff08;1&＃xff09;指令数量多&＃xff1a;指令系统拥有大量的指令&＃xff0c;有100-250条。


&＃xff08;2&＃xff09;指令使用频率相差悬殊&＃xff1a;最常使用的是一些比较简单的指令&＃xff0c;80%的时候使用的是20%指令。


&＃xff08;3&＃xff09;支持很多中寻址方式&＃xff1a;通常为5-20种。


&＃xff08;4&＃xff09;变长的指令&＃xff1a;指令长度不是固定的&＃xff0c;变长的指令增加指令译码电路的复杂性。


&＃xff08;5&＃xff09;指令可以对存储器单元中数据直接进行处理&＃xff1a;典型的CISC处理器通常都有指令能够直接对内存单元中的数据进行处理&＃xff0c;其执行速度较慢。






精简指令系统计算机&＃xff08;RISC&＃xff09;的主要特点


&＃xff08;1&＃xff09;指令数量少&＃xff1a;优先选取使用频率最高的一些简单指令以及一些常用指令&＃xff0c;避免使用复杂指令。


&＃xff08;2&＃xff09;指令的寻址方式少&＃xff1a;通常只支持寄存器寻址方式、立即数寻址方式以及相对寻址方式。


&＃xff08;3&＃xff09;指令长度固定&＃xff0c;指令格式种类少&＃xff1a;因为RISC指令数量少&＃xff0c;


格式相对简单&＃xff0c;其指令长度固定&＃xff0c;指令之间各字段的划分比较一致&＃xff0c;译码相对容易。


&＃xff08;4&＃xff09;只提供了Load/Store指令访问存储器&＃xff1a;只提供了从存储器读数Load和把数据写入存储器Store两条指令&＃xff0c;其余所有的操作都在CPU的寄存器间进行。


&＃xff08;5&＃xff09;以硬布线逻辑控制为主&＃xff1a;为了提高操作的执行速度&＃xff0c;通常采用硬布线逻辑来构建控制器。


&＃xff08;6&＃xff09;单周期指令执行&＃xff1a;因为简化了指令系统&＃xff0c;很容易利用流水线技术使得大部分指令在一个机器周期内完成。


&＃xff08;7&＃xff09;优化的编译器&＃xff1a;RISC精简指令集使编译工作简单化。