高等計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)復(fù)習(xí)ppt

1、1 1/101/1011.2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)加速比依賴于兩個(gè)因素q可改進(jìn)比例可改進(jìn)比例（Fe）：在改進(jìn)前的系統(tǒng)中，可改進(jìn)部分在改進(jìn)前的系統(tǒng)中，可改進(jìn)部分的執(zhí)行時(shí)間在總的執(zhí)行時(shí)間中所占的比例。的執(zhí)行時(shí)間在總的執(zhí)行時(shí)間中所占的比例。 它總是小于等于它總是小于等于1 1。例如：例如：一個(gè)需運(yùn)行一個(gè)需運(yùn)行6060秒的程序中有秒的程序中有2020秒的運(yùn)算可以加速，秒的運(yùn)算可以加速， 那么這個(gè)比例就是那么這個(gè)比例就是20/6020/60。q部件加速比部件加速比（Se） ：可改進(jìn)部分改進(jìn)以后性能提高的可改進(jìn)部分改進(jìn)以后性能提高的倍數(shù)。它是改進(jìn)前所需的執(zhí)行時(shí)間與改進(jìn)后執(zhí)行時(shí)間倍數(shù)。它是改進(jìn)前所需的執(zhí)行時(shí)間與

2、改進(jìn)后執(zhí)行時(shí)間的比。的比。 一般情況下部件加速比是大于一般情況下部件加速比是大于1 1的。的。例如：例如：若系統(tǒng)改進(jìn)后，可改進(jìn)部分的執(zhí)行時(shí)間是若系統(tǒng)改進(jìn)后，可改進(jìn)部分的執(zhí)行時(shí)間是2 2秒，秒， 而改進(jìn)前其執(zhí)行時(shí)間為而改進(jìn)前其執(zhí)行時(shí)間為5 5秒，則部件加速比為秒，則部件加速比為5/25/2。2 2/101/1011.2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)改進(jìn)后程序的總執(zhí)行時(shí)間TnSeFeFeTTn10qT0：改進(jìn)前整個(gè)程序的執(zhí)行時(shí)間：改進(jìn)前整個(gè)程序的執(zhí)行時(shí)間q1Fe：不可改進(jìn)比例：不可改進(jìn)比例 系統(tǒng)加速比Sn為改進(jìn)前與改進(jìn)后總執(zhí)行時(shí)間之比:SeFeFeTTSnn1103 3/101/1011.2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3、 例例1.1 1.1 將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中某一功能的處理速度加快將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中某一功能的處理速度加快1515倍，但倍，但該功能的處理時(shí)間僅占整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的該功能的處理時(shí)間僅占整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的40%40%，則采用此增強(qiáng)，則采用此增強(qiáng)功能方法后，能使整個(gè)系統(tǒng)的性能提高多少？功能方法后，能使整個(gè)系統(tǒng)的性能提高多少？ 解解 由題可知：由題可知： F Fe e = 40% = 0.4 = 40% = 0.4 S Se e = 15 = 15 根據(jù)根據(jù)AmdahlAmdahl定律可知：定律可知： 采用此增強(qiáng)功能方法后，能使整個(gè)系統(tǒng)的性能提高到原來采用此增強(qiáng)功能方法后，能使整個(gè)系統(tǒng)的性能提高到原來的的1.6

4、1.6倍倍。 6 . 1154 . 0)4 . 01 (1)1 (1SeFeFeSn4 4/101/1011.2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 例例1.2 1.2 某計(jì)算機(jī)系統(tǒng)采用浮點(diǎn)運(yùn)算部件后，使浮點(diǎn)運(yùn)算速某計(jì)算機(jī)系統(tǒng)采用浮點(diǎn)運(yùn)算部件后，使浮點(diǎn)運(yùn)算速度提高到原來的度提高到原來的2525倍，而系統(tǒng)運(yùn)行某一程序的整體性能提高到倍，而系統(tǒng)運(yùn)行某一程序的整體性能提高到原來的原來的4 4倍，試計(jì)算該程序中浮點(diǎn)操作所占的比例。倍，試計(jì)算該程序中浮點(diǎn)操作所占的比例。 解解 由題可知：由題可知： S Se e = 25 S = 25 Sn n = 4 = 4 根據(jù)根據(jù)AmdahlAmdahl定律可知：定律可知： 由此可

5、得：由此可得：Fe = 78.1% = 78.1% 即程序中浮點(diǎn)操作所占的比例為即程序中浮點(diǎn)操作所占的比例為78.1%78.1%。25114FeFe 5 5/101/1011.2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)Amdahl定律：一種性能改進(jìn)的遞減規(guī)則q如果僅僅對計(jì)算任務(wù)中的一部分做性能改進(jìn)，則改如果僅僅對計(jì)算任務(wù)中的一部分做性能改進(jìn)，則改 進(jìn)得越多，所得到的總體性能的提升就越有限。進(jìn)得越多，所得到的總體性能的提升就越有限。重要推論：如果只針對整個(gè)任務(wù)的一部分進(jìn)行改 進(jìn)和優(yōu)化，那么所獲得的加速比不超過： 1/（1可改進(jìn)比例） 6 6/101/1011.1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念把計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分為4類q單

6、指令流單數(shù)據(jù)流單指令流單數(shù)據(jù)流SISD（Single Instruction stream Single Data stream）q單指令流多數(shù)據(jù)流單指令流多數(shù)據(jù)流SIMD（Single Instruction stream Multiple Data stream）q多指令流單數(shù)據(jù)流多指令流單數(shù)據(jù)流MISD（Multiple Instruction stream Single Data stream）q多指令流多數(shù)據(jù)流多指令流多數(shù)據(jù)流MIMD（Multiple Instruction stream Multiple Data stream） 7 7/101/1011.1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本

7、概念4類計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)qISIS：指令流：指令流qDSDS：數(shù)據(jù)流：數(shù)據(jù)流qCSCS：控制流：控制流qCUCU：控制部件：控制部件qPUPU：處理部件：處理部件qMMMM和和SMSM：存儲器：存儲器 8 8/101/101 CU PU MM IS CS PU1 PU2 PUn PU1 PU2 PUn CU1 CU2 CUn CS1 CS2 CSn PU1 PU2 PUn CU1 CU2 CUn CS1 CS2 CSn MM1 MM2 MMm DS IS1 IS2 ISn SM DS （c）MISD 計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī) DS1 DS2 DSn MM1 MM2 MMm SM IS1 IS2 ISn （

8、d）MIMD 計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī) （a）SISD 計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī) MM1 MM2 MMm SM CU DS1 DS2 DSn IS （b）SIMD 計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī) CS DS 9 9/101/1012.3 指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化4. 在設(shè)計(jì)指令系統(tǒng)時(shí)，有兩種截然不同的設(shè)計(jì)策略。 （產(chǎn)生了兩類不同的計(jì)算機(jī)系統(tǒng) ）CISC（復(fù)雜指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)Complex Instruction Set Computer ）q增強(qiáng)指令功能，把越來越多的功能交由硬件來實(shí)增強(qiáng)指令功能，把越來越多的功能交由硬件來實(shí) 現(xiàn)，并且指令的數(shù)量也是越來越多?，F(xiàn)，并且指令的數(shù)量也是越來越多。RISC（精簡指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)Reduced Inst

9、ruction Set Computer）q盡可能盡可能地把指令系統(tǒng)簡化，不僅指令的條數(shù)少，地把指令系統(tǒng)簡化，不僅指令的條數(shù)少，而且指令而且指令的功能也比較簡單。的功能也比較簡單。 1010/101/101（1） 指令系統(tǒng)：RISC 經(jīng)常使用的指令簡單高效的特色。對不常用的功能，常通過組合指令來完成。因此，在RISC 機(jī)器上實(shí)現(xiàn)特殊功能時(shí)，效率可能較低。但可以利用流水技術(shù)和超標(biāo)量技術(shù)加以改進(jìn)和彌補(bǔ)。而CISC 計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)比較豐富，有專用指令來完成特定的功能。因此，處理特殊任務(wù)效率較高。（2） 存儲器操作：RISC 對存儲器操作有限制，使控制簡單化；而CISC 機(jī)器的存儲器操作指令多，操作

10、直接。（3） 程序：RISC 匯編語言程序一般需要較大的內(nèi)存空間，實(shí)現(xiàn)特殊功能時(shí)程序復(fù)雜，不易設(shè)計(jì)；而CISC 匯編語言程序編程相對簡單，科學(xué)計(jì)算及復(fù)雜操作的程序設(shè)計(jì)相對容易，效率較高。（4） 中斷：RISC 機(jī)器在一條指令執(zhí)行的適當(dāng)?shù)胤娇梢皂憫?yīng)中斷；而CISC 機(jī)器是在一條指令執(zhí)行結(jié)束后響應(yīng)中斷。（5） CPU：RISC CPU 包含有較少的單元電路，因而面積小、功耗低；而CISC CPU 包含有豐富的電路單元，因而功能強(qiáng)、面積大、功耗大。（6） 設(shè)計(jì)周期：RISC 微處理器結(jié)構(gòu)簡單，布局緊湊，設(shè)計(jì)周期短，且易于采用最新技術(shù)；CISC 微處理器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)周期長。（7） 用戶使用：RISC

11、 微處理器結(jié)構(gòu)簡單，指令規(guī)整，性能容易把握，易學(xué)易用；CISC微處理器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功能強(qiáng)大，實(shí)現(xiàn)特殊功能容易。（8） 應(yīng)用范圍：由于RISC 指令系統(tǒng)的確定與特定的應(yīng)用領(lǐng)域有關(guān)，故RISC 機(jī)器更適合于專用機(jī)；而CISC 機(jī)器則更適合于通用機(jī)。1111/101/1012.4 指令系統(tǒng)的發(fā)展和改進(jìn)2.4.1 沿CISC方向發(fā)展和改進(jìn)指令系統(tǒng)1. CISC指令系統(tǒng)的一大特點(diǎn) 指令數(shù)量多、功能多樣2. 增強(qiáng)指令功能主要是從以下3個(gè)方面著手： 面向目標(biāo)程序增強(qiáng)指令功能面向目標(biāo)程序增強(qiáng)指令功能 面向高級語言的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)來改進(jìn)指令系統(tǒng)面向高級語言的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)來改進(jìn)指令系統(tǒng) 面向操作系統(tǒng)的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)改進(jìn)指令系統(tǒng)面向

12、操作系統(tǒng)的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)改進(jìn)指令系統(tǒng)1212/101/1012.4 指令系統(tǒng)的發(fā)展和改進(jìn)面向目標(biāo)程序增強(qiáng)指令功能 q對大量的目標(biāo)程序及其執(zhí)行情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，找出對大量的目標(biāo)程序及其執(zhí)行情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，找出那些使用頻度高、執(zhí)行時(shí)間長的指令或指令串。對于那些使用頻度高、執(zhí)行時(shí)間長的指令或指令串。對于使用頻度高的指令，用硬件加快其執(zhí)行；對于使用頻使用頻度高的指令，用硬件加快其執(zhí)行；對于使用頻度高的指令串，用一條新的指令來替代。度高的指令串，用一條新的指令來替代。q既能減少目標(biāo)程序的執(zhí)行時(shí)間，也能有效地縮短程序既能減少目標(biāo)程序的執(zhí)行時(shí)間，也能有效地縮短程序的長度。的長度。q可以從以下幾個(gè)方面來改進(jìn)：可以

13、從以下幾個(gè)方面來改進(jìn)： n增強(qiáng)運(yùn)算型指令的功能增強(qiáng)運(yùn)算型指令的功能n增強(qiáng)數(shù)據(jù)傳送指令的功能增強(qiáng)數(shù)據(jù)傳送指令的功能n增強(qiáng)程序控制指令的功能增強(qiáng)程序控制指令的功能1313/101/1012.4 指令系統(tǒng)的發(fā)展和改進(jìn)例如：循環(huán)在程序中占有相當(dāng)大的 比例，所以在指令上提供專 門的支持。循環(huán)控制部分通常用3條指令完成：q一條加法指令一條加法指令q一條比較指令一條比較指令q一條分支指令一條分支指令設(shè)置循環(huán)控制指令，用一條指令完成上述3條指令的功能。 I = m1 I=I+m3 循環(huán)體循環(huán)體 Im2 N Y 一般循環(huán)程序的結(jié)構(gòu)一般循環(huán)程序的結(jié)構(gòu)1414/101/1012.4 指令系統(tǒng)的發(fā)展和改進(jìn)面向高級語言

14、的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)來改進(jìn)指令系統(tǒng) （縮小高級語言與機(jī)器語言的語義差距） 高級語言與一般的機(jī)器語言的語義差距非常大，為高級語言程序的編譯帶來了一些問題。（1 1）編譯器本身比較復(fù)雜；）編譯器本身比較復(fù)雜；（2 2）編譯生成）編譯生成的目標(biāo)代碼比較難以達(dá)到很好的優(yōu)化。的目標(biāo)代碼比較難以達(dá)到很好的優(yōu)化。 1515/101/1012.4 指令系統(tǒng)的發(fā)展和改進(jìn)q增強(qiáng)對高級語言和編譯器的支持增強(qiáng)對高級語言和編譯器的支持 p對高級語言中使用頻度高、執(zhí)行時(shí)間長的語句，對高級語言中使用頻度高、執(zhí)行時(shí)間長的語句，增強(qiáng)有關(guān)指令的功能，加快這些指令的執(zhí)行速度，增強(qiáng)有關(guān)指令的功能，加快這些指令的執(zhí)行速度，或者增加專門的指令，可

15、以達(dá)到減少目標(biāo)程序的或者增加專門的指令，可以達(dá)到減少目標(biāo)程序的執(zhí)行時(shí)間和減少目標(biāo)程序長度的目的。執(zhí)行時(shí)間和減少目標(biāo)程序長度的目的。 p增強(qiáng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的規(guī)整性，減少系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的各種增強(qiáng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的規(guī)整性，減少系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的各種例外情況。例外情況。 （面向高級語言的計(jì)算機(jī)（面向高級語言的計(jì)算機(jī) ）1616/101/1012.4 指令系統(tǒng)的發(fā)展和改進(jìn)q高級語言計(jì)算機(jī)高級語言計(jì)算機(jī) 間接執(zhí)行高級語言機(jī)器間接執(zhí)行高級語言機(jī)器 高級語言作為機(jī)器的匯編語言。高級語言作為機(jī)器的匯編語言。 直接執(zhí)行高級語言的機(jī)器直接執(zhí)行高級語言的機(jī)器 直接把高級語言作為機(jī)器語言。直接把高級語言作為機(jī)器語言。 （一種比較激進(jìn)的方法（一

16、種比較激進(jìn)的方法 ）p采用采用“比較簡單的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)軟件比較簡單的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)軟件”的做法能夠在較的做法能夠在較低成本和復(fù)雜度的前提下，提供更高的性能和靈活性。低成本和復(fù)雜度的前提下，提供更高的性能和靈活性。 1717/101/1012.4 指令系統(tǒng)的發(fā)展和改進(jìn)面向操作系統(tǒng)的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)改進(jìn)指令系統(tǒng) q操作系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是緊密聯(lián)系的，操作系操作系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是緊密聯(lián)系的，操作系 統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)在很大程度上取決于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的支持。統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)在很大程度上取決于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的支持。q指令系統(tǒng)對操作系統(tǒng)的支持主要有：指令系統(tǒng)對操作系統(tǒng)的支持主要有：p處理機(jī)工作狀態(tài)和訪問方式的切換；處理機(jī)工作狀態(tài)和訪問方式的切換；

17、p進(jìn)程的管理和切換；進(jìn)程的管理和切換；p存儲管理和信息保護(hù)；存儲管理和信息保護(hù)；p進(jìn)程的同步與互斥，信號燈的管理等。進(jìn)程的同步與互斥，信號燈的管理等。 支持操作系統(tǒng)的有些指令屬于特權(quán)指令，一般用戶支持操作系統(tǒng)的有些指令屬于特權(quán)指令，一般用戶程序是不能使用的。程序是不能使用的。 1818/101/1012.4 指令系統(tǒng)的發(fā)展和改進(jìn)1. CISC指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)存在的問題 各種指令的使用頻度相差懸殊，許多指令很少用。 q據(jù)統(tǒng)計(jì)：只有據(jù)統(tǒng)計(jì)：只有2020的指令使用頻度比較高，占運(yùn)的指令使用頻度比較高，占運(yùn)行時(shí)間的行時(shí)間的8080。而其余。而其余8080的指令只在的指令只在2020的運(yùn)行時(shí)的運(yùn)行時(shí)間內(nèi)才會

18、用到。間內(nèi)才會用到。q使用頻度高的指令也是最簡單的指令。使用頻度高的指令也是最簡單的指令。2.4.2 沿RISC方向發(fā)展和改進(jìn)指令系統(tǒng)1919/101/1012.4 指令系統(tǒng)的發(fā)展和改進(jìn)指令系統(tǒng)龐大，指令條數(shù)很多，許多指令的功能又很復(fù)雜，使得控制器硬件非常復(fù)雜。 導(dǎo)致的問題：q占用了大量的芯片面積（如占用占用了大量的芯片面積（如占用CPUCPU芯片總面積的芯片總面積的一半以上），給一半以上），給VLSI(VLSI(超大規(guī)模集成電路超大規(guī)模集成電路) )設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)造成很大的困難；造成很大的困難；q增加了研制時(shí)間和成本，容易造成設(shè)計(jì)錯誤。增加了研制時(shí)間和成本，容易造成設(shè)計(jì)錯誤。許多指令由于操作繁雜，

19、其CPI值比較大，執(zhí)行 速度慢。采用這些復(fù)雜指令有可能使整個(gè)程序的 執(zhí)行時(shí)間反而增加。由于指令功能復(fù)雜，規(guī)整性不好，不利于采用流 水技術(shù)來提高性能。 2020/101/1012.4 指令系統(tǒng)的發(fā)展和改進(jìn)2. 設(shè)計(jì)RISC機(jī)器遵循的原則 指令條數(shù)少、指令功能簡單。只選取使用頻度很高的指令，在此基礎(chǔ)上補(bǔ)充一些最有用的指令；采用簡單而又統(tǒng)一的指令格式，并減少尋址方式；指令字長都為32位或64位；指令的執(zhí)行在單個(gè)機(jī)器周期內(nèi)完成； ( (采用流水線機(jī)制采用流水線機(jī)制) )只有l(wèi)oad和store指令才能訪問存儲器，其它指令的操作都是在寄存器之間進(jìn)行； （即采用（即采用load-storeload-sto

20、re結(jié)構(gòu)）結(jié)構(gòu)）大多數(shù)指令都采用硬連邏輯來實(shí)現(xiàn)；強(qiáng)調(diào)優(yōu)化編譯器的作用，為高級語言程序生成優(yōu)化的代碼；充分利用流水技術(shù)來提高性能。2121/101/1011. 32個(gè)64位通用寄存器（GPRs）general-purpose registersR0，R1，R31也稱為整數(shù)寄存器R0的值永遠(yuǎn)是02. 32個(gè)64位浮點(diǎn)數(shù)寄存器（FPRs）floating-point registersF0，F(xiàn)1，F(xiàn)31用來存放32個(gè)單精度浮點(diǎn)數(shù)（32位），也可以用來存放32個(gè)雙精度浮點(diǎn)數(shù)（64位）。存儲單精度浮點(diǎn)數(shù)（32位）時(shí)，只用到FPR的一半，其另一半沒用。2.6 MIPS指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2.6.1 MIPS的寄存

21、器2222/101/1012.6 MIPS指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)3. 一些特殊寄存器它們可以與通用寄存器交換數(shù)據(jù)。例如浮點(diǎn)狀態(tài)寄存器：用來保存有關(guān)浮點(diǎn)操作結(jié)果的信息。2323/101/1012.6 MIPS指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1. MIPS的數(shù)據(jù)表示整數(shù)字節(jié)（字節(jié)（8 8位位） 半字（半字（1616位位）字（字（3232位位） 雙字（雙字（6464位位）浮點(diǎn)數(shù)單精度浮點(diǎn)數(shù)（單精度浮點(diǎn)數(shù)（3232位位） 雙精度浮點(diǎn)數(shù)（雙精度浮點(diǎn)數(shù)（6464位位）2. 字節(jié)、半字或者字在裝入64位寄存器時(shí)，用零擴(kuò)展或者用符號位擴(kuò)展來填充該寄存器的剩余部分。裝入以后，對它們將按照64位整數(shù)的方式進(jìn)行運(yùn)算。2.6.2 MIPS的數(shù)據(jù)表

22、示2424/101/1012.6 MIPS指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1. 立即數(shù)尋址與偏移量尋址；立即數(shù)字段和偏移量字段都是立即數(shù)字段和偏移量字段都是1616位的。位的。2. 寄存器間接尋址是通過把0作為偏移量來實(shí)現(xiàn)的；3. 16位絕對尋址是通過把R0（其值永遠(yuǎn)為0）作為基址 寄存器來完成的；4. MIPS的存儲器是按字節(jié)尋址的，地址為64位；5. 所有存儲器訪問都必須是邊界對齊的。2.6.3 MIPS的數(shù)據(jù)尋址方式2525/101/1012.6 MIPS指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1. 尋址方式編碼到操作碼中2. 所有的指令都是32位的3. 操作碼占6位4. 3種指令格式 3種格式中，同名字段的位置固定不變。種格式中，同

23、名字段的位置固定不變。 2.6.4 MIPS的指令格式2626/101/1012.6 MIPS指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)rt rs 立即數(shù)（立即數(shù)（immediate） 操作碼操作碼 6 5 5 16 0 5 6 10 11 15 16 31 I類指令q包括所有的包括所有的loadload和和storestore指令，立即數(shù)指令，分支指令，立即數(shù)指令，分支指令，寄存器跳轉(zhuǎn)指令，寄存器鏈接跳轉(zhuǎn)指令。指令，寄存器跳轉(zhuǎn)指令，寄存器鏈接跳轉(zhuǎn)指令。q立即數(shù)字段為立即數(shù)字段為1616位，用于提供立即數(shù)或偏移量。位，用于提供立即數(shù)或偏移量。2727/101/1012.6 MIPS指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)qloadload指令指令 訪

24、存有效地址：訪存有效地址：RegsrsRegsrsimmediateimmediate 從存儲器取來的數(shù)據(jù)放入寄存器從存儲器取來的數(shù)據(jù)放入寄存器rtrtqstorestore指令指令 訪存有效地址：訪存有效地址：RegsrsRegsrsimmediateimmediate 要存入存儲器的數(shù)據(jù)放在寄存器要存入存儲器的數(shù)據(jù)放在寄存器rtrt中中q立即數(shù)指令立即數(shù)指令 Regsrt Regsrs op immediateRegsrt Regsrs op immediateq分支指令分支指令 轉(zhuǎn)移目標(biāo)地址：轉(zhuǎn)移目標(biāo)地址：RegsrsRegsrsimmediateimmediate，rtrt無用無用q寄

25、存器跳轉(zhuǎn)、寄存器跳轉(zhuǎn)并鏈接寄存器跳轉(zhuǎn)、寄存器跳轉(zhuǎn)并鏈接 轉(zhuǎn)移目標(biāo)地址為轉(zhuǎn)移目標(biāo)地址為RegsrsRegsrs2828/101/1012.6 MIPS指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)R類指令q包括包括ALUALU指令，專用寄存器讀指令，專用寄存器讀/ /寫指令，寫指令，movemove指令等。指令等。qALUALU指令指令 Regsrd Regsrs funct RegsrtRegsrd Regsrs funct Regsrt funct funct為具體的運(yùn)算操作編碼為具體的運(yùn)算操作編碼操操作作碼碼 rs 6 5 5 6 rt 5 rd funct 0 5 6 10 11 15 16 31 20 21 sham2

26、5 26 5 寄存器寄存器型（RR型）指令或立即數(shù)型算術(shù)和邏輯操作：加、減、與、或、異或和移位等2929/101/1012.6 MIPS指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)J類指令q包括跳轉(zhuǎn)指令，跳轉(zhuǎn)并鏈接指令，自陷指令，異常返回指令。包括跳轉(zhuǎn)指令，跳轉(zhuǎn)并鏈接指令，自陷指令，異常返回指令。q在這類指令中，指令字的低在這類指令中，指令字的低2626位是偏移量，它與位是偏移量，它與PCPC值相加形成值相加形成跳轉(zhuǎn)的地址。跳轉(zhuǎn)的地址。26 操作碼操作碼 6 與與 PC 相加的偏移量相加的偏移量 31 0 5 6 3030/101/1012.6 MIPS指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1. MIPS指令可以分為四大類qloadload和和sto

27、re store 除除R0R0外都可以外都可以qALUALU操作操作q分支與跳轉(zhuǎn)分支與跳轉(zhuǎn)q浮點(diǎn)操作浮點(diǎn)操作2. 符號的意義 xny：從y傳送n位到xx，yz：把z傳送到x和y 2.6.5 MIPS的操作下標(biāo)：表示字段中具體的位；q對于指令和數(shù)據(jù)，按從最高位到最低位對于指令和數(shù)據(jù)，按從最高位到最低位（即從左到右）的順序依次進(jìn)行編號，最（即從左到右）的順序依次進(jìn)行編號，最高位為第高位為第0 0位，次高位為第位，次高位為第1 1位，依此類推。位，依此類推。q下標(biāo)可以是一個(gè)數(shù)字，也可以是一個(gè)范圍。下標(biāo)可以是一個(gè)數(shù)字，也可以是一個(gè)范圍。例如：例如：RegsR4RegsR40 0：寄存器：寄存器R4R4

28、的符號的符號位位 RegsR4RegsR456-6356-63：R4R4的最低字節(jié)的最低字節(jié)Mem：表示主存；q按字節(jié)尋址，可以傳輸任意個(gè)字節(jié)。按字節(jié)尋址，可以傳輸任意個(gè)字節(jié)。上標(biāo)：用于表示對字段進(jìn)行復(fù)制的次數(shù)。例如：例如：0 0 3232：一個(gè)：一個(gè)3232位長的全位長的全0 0字段字段3131/101/1014. ALU指令寄存器寄存器型（寄存器寄存器型（RRRR型）指令或立即數(shù)型型）指令或立即數(shù)型算術(shù)和邏輯操作：加、減、與、或、異或和移位等算術(shù)和邏輯操作：加、減、與、或、異或和移位等指令舉例 指令名稱 含義 DADDUR1，R2，R3 無符號加 RegsR1 RegsR2+ RegsR3

29、 DADDIU R4，R5，#6 加無符號立即數(shù) RegsR4 RegsR5+6 LUIR1，#4 把立即數(shù)裝入到一個(gè)字的高16位 RegsR1 032 # 4 # 016DSLLR1，R2，#5 邏輯左移 RegsR1 RegsR25 DSLT R1，R2，R3 置小于 If(RegsR2 RegsR3)RegsR1 1 else RegsR10 3232/101/1013.1 流水線的基本概念2. 流水線技術(shù)把一個(gè)重復(fù)的過程分解為若干個(gè)子過程，每個(gè)子過程由專門的功能部件來實(shí)現(xiàn)。把多個(gè)處理過程在時(shí)間上錯開，依次通過各功能段，這樣，每個(gè)子過程就可以與其它的子過程并行進(jìn)行。3. 流水線中的每個(gè)子

30、過程及其功能部件稱為流水線的級或段，段與段相互連接形成流水線。流水線的段數(shù)稱為流水線的深度。 補(bǔ)充：是影響處理器效率的重要因素，流水線深度的增加可以讓處理器時(shí)鐘頻率進(jìn)一步提高，但帶來的反面影響就是處理器的單周期執(zhí)行效率降低、發(fā)熱量上升，同時(shí)容易產(chǎn)生分支預(yù)測等問題，因此流水線長度的尺度把握一直是處理器設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要核心問題。3333/101/1013.1 流水線的基本概念7. 流水技術(shù)的特點(diǎn)流水線把一個(gè)處理過程分解為若干個(gè)子過程（段），每個(gè)子過程由一個(gè)專門的功能部件來實(shí)現(xiàn)。流水線中各段的時(shí)間應(yīng)盡可能相等，否則將引起流水線堵塞、斷流。 時(shí)間最長的段將成為時(shí)間最長的段將成為流水線的瓶頸。流水線的瓶

31、頸。流水線每一個(gè)段的后面都要有一個(gè)緩沖寄存器（鎖存器），稱為流水寄存器。q作用：作用：在相鄰的兩段之間傳送數(shù)據(jù)，以保證提供后在相鄰的兩段之間傳送數(shù)據(jù)，以保證提供后 面要用到的信息，并把各段的處理工作相互隔離。面要用到的信息，并把各段的處理工作相互隔離。3434/101/1013.1 流水線的基本概念流水技術(shù)適合于大量重復(fù)的時(shí)序過程，只有在輸入端不斷地提供任務(wù)，才能充分發(fā)揮流水線的效率。 流水線需要有通過時(shí)間和排空時(shí)間。q通過時(shí)間：通過時(shí)間：第一個(gè)任務(wù)從進(jìn)入流水線到流出結(jié)果第一個(gè)任務(wù)從進(jìn)入流水線到流出結(jié)果 所需的時(shí)間。所需的時(shí)間。q排空時(shí)間：排空時(shí)間：最后一個(gè)任務(wù)從進(jìn)入流水線到流出結(jié)最后一個(gè)任務(wù)

32、從進(jìn)入流水線到流出結(jié) 果所需的時(shí)間。果所需的時(shí)間。3535/101/1013.1 流水線的基本概念2. 單功能流水線與多功能流水線 （按照流水線所完成的功能來分類）（按照流水線所完成的功能來分類）單功能流水線：只能完成一種固定功能的流水線。多功能流水線：流水線的各段可以進(jìn)行不同的 連接，以實(shí)現(xiàn)不同的功能。例：例： ASCASC的多功能流水線的多功能流水線3636/101/1013.1 流水線的基本概念3. 靜態(tài)流水線與動態(tài)流水線（按照同一時(shí)間內(nèi)各段之間的連接方式對多功能流水線作（按照同一時(shí)間內(nèi)各段之間的連接方式對多功能流水線作進(jìn)一步的分類）進(jìn)一步的分類）靜態(tài)流水線：在同一時(shí)間內(nèi)，多功能流水線中

33、的 各段只能按同一種功能的連接方式工作。q對于靜態(tài)流水線來說，只有當(dāng)輸入的是一串相同的對于靜態(tài)流水線來說，只有當(dāng)輸入的是一串相同的 運(yùn)算任務(wù)時(shí)，流水的效率才能得到充分的發(fā)揮。運(yùn)算任務(wù)時(shí)，流水的效率才能得到充分的發(fā)揮。例如：例如：ASCASC的的8 8段流水線段流水線3737/101/1013.2 流水線的基本概念動態(tài)流水線：在同一時(shí)間內(nèi)，多功能流水線中的各段可以按照不同的方式連接，同時(shí)執(zhí)行多種功能。 動畫q優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn) 靈活，能夠提高流水線各段的使用率，從而靈活，能夠提高流水線各段的使用率，從而 提高處理速度。提高處理速度。q缺點(diǎn)缺點(diǎn) 控制復(fù)雜?？刂茝?fù)雜。靜、動態(tài)流水線時(shí)空圖的對比3838/101

34、/1013939/101/1013.1 流水線的基本概念4. 線性流水線與非線性流水線（按照流水線中是否有反饋回路來進(jìn)行分類）（按照流水線中是否有反饋回路來進(jìn)行分類）線性流水線：流水線的各段串行連接，沒有反饋回路。數(shù)據(jù)通過流水線中的各段時(shí)，每一個(gè)段最多只流過一次。非線性流水線：流水線中除了有串行的連接外，還有反饋回路。 （舉例）非線性流水線的調(diào)度問題q確定什么時(shí)候向流水線引進(jìn)新的任務(wù)，才能使該任務(wù)不確定什么時(shí)候向流水線引進(jìn)新的任務(wù)，才能使該任務(wù)不會與先前進(jìn)入流水線的任務(wù)發(fā)生沖突會與先前進(jìn)入流水線的任務(wù)發(fā)生沖突爭用流水段。爭用流水段。 4040/101/1013.2 流水線的性能指標(biāo) 例例3.1

35、3.1 設(shè)在下圖所示的靜態(tài)流水線上計(jì)算：設(shè)在下圖所示的靜態(tài)流水線上計(jì)算： 流水線的輸出可以直接返回輸入端或暫存于相應(yīng)的流水寄存器中，流水線的輸出可以直接返回輸入端或暫存于相應(yīng)的流水寄存器中，試計(jì)算其吞吐率、加速比和效率。試計(jì)算其吞吐率、加速比和效率。3.2.4 流水線的性能分析舉例)(41iiiBA 1 2 3 4 5 乘法乘法 加減法加減法 6 7 8 ( (每段的時(shí)間都為每段的時(shí)間都為t t) )4141/101/1013.2 流水線的性能指標(biāo)解解：（1 1）選擇適合于流水線工作的算法選擇適合于流水線工作的算法q先計(jì)算先計(jì)算A A1 1+B+B1 1、A A2 2+B+B2 2、A A3

36、3+B+B3 3和和A A4 4+B+B4 4；q再計(jì)算再計(jì)算(A(A1 1+B+B1 1) )(A(A2 2+B+B2 2) )和和(A(A3 3+B+B3 3) )(A(A4 4+B+B4 4) )；q然后求總的乘積結(jié)果。然后求總的乘積結(jié)果。（2 2）畫出時(shí)空圖）畫出時(shí)空圖 4242/101/101 時(shí)間 段 1 2 3 4 5 6 7 8 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 輸 入 A1 B1 A2 B2 A3 B3 A4 B4 A B C D A B C D AB CD AB CD ABCD A=A1+B1 B=A2+B2 C=

37、A3+B3 D=A4+B4 tTP18721836ttS25. 01884364E4343/101/1013.2 流水線的性能指標(biāo)p在在1818個(gè)個(gè)t t時(shí)間中，給出了時(shí)間中，給出了7 7個(gè)個(gè)結(jié)果。吞吐率為：結(jié)果。吞吐率為： tTP187p 不用流水線，由于一次求和需不用流水線，由于一次求和需6 6t t，一次求積需一次求積需4 4t t， 則產(chǎn)生上述則產(chǎn)生上述7 7個(gè)結(jié)果共需個(gè)結(jié)果共需（4 46+36+34 4）t t = 36 = 36t t 加速比為：加速比為： （3 3）計(jì)算性能）計(jì)算性能21836ttS4444/101/1013.2 流水線的性能指標(biāo)p 流水線的效率流水線的效率 25

38、. 01884364E可以看出，在求解此問題時(shí)，該流水線的效率不高。 (原因)4545/101/1013.2 流水線的性能指標(biāo)主要原因q多功能流水線在做某一種運(yùn)算時(shí)，總有一些段是空多功能流水線在做某一種運(yùn)算時(shí)，總有一些段是空閑的；閑的；q靜態(tài)流水線在進(jìn)行功能切換時(shí)，要等前一種運(yùn)算全靜態(tài)流水線在進(jìn)行功能切換時(shí)，要等前一種運(yùn)算全部流出流水線后才能進(jìn)行后面的運(yùn)算；部流出流水線后才能進(jìn)行后面的運(yùn)算；q運(yùn)算之間存在關(guān)聯(lián)，后面有些運(yùn)算要用到前面運(yùn)算運(yùn)算之間存在關(guān)聯(lián)，后面有些運(yùn)算要用到前面運(yùn)算的結(jié)果；的結(jié)果；q流水線的工作過程有建立與排空部分。流水線的工作過程有建立與排空部分。 4646/101/1013.

39、4 流水線的相關(guān)與沖突相關(guān)：兩條指令之間存在某種依賴關(guān)系。 如果兩條指令相關(guān)，則它們就有可能不能在流如果兩條指令相關(guān)，則它們就有可能不能在流水線中重疊執(zhí)行或者只能部分重疊執(zhí)行。水線中重疊執(zhí)行或者只能部分重疊執(zhí)行。相關(guān)有3種類型q數(shù)據(jù)相關(guān)（也稱真數(shù)據(jù)相關(guān)）數(shù)據(jù)相關(guān)（也稱真數(shù)據(jù)相關(guān)）q名相關(guān)名相關(guān)q控制相關(guān)控制相關(guān)3.4.2 相關(guān)與流水線沖突3.4.2.1 相關(guān)4747/101/1013.4 流水線的相關(guān)與沖突1. 數(shù)據(jù)相關(guān) 對于兩條指令i（在前，下同）和j（在后，下同），如果下述條件之一成立，則稱指令j與指令i數(shù)據(jù)相關(guān)。 q指令指令j j使用指令使用指令i i產(chǎn)生的結(jié)果；產(chǎn)生的結(jié)果；q指令指令j

40、 j與指令與指令k k數(shù)據(jù)相關(guān)，而指令數(shù)據(jù)相關(guān)，而指令k k又與指令又與指令i i數(shù)據(jù)相關(guān)。數(shù)據(jù)相關(guān)。數(shù)據(jù)相關(guān)具有傳遞性。 數(shù)據(jù)相關(guān)反映了數(shù)據(jù)的流動關(guān)系，即如何從其產(chǎn) 生者流動到其消費(fèi)者。 4848/101/1013.4 流水線的相關(guān)與沖突當(dāng)數(shù)據(jù)的流動是經(jīng)過寄存器時(shí)，相關(guān)的檢測比較 直觀和容易。當(dāng)數(shù)據(jù)的流動是經(jīng)過存儲器時(shí)，檢測比較復(fù)雜。q相同形式的地址其有效地址未必相同；相同形式的地址其有效地址未必相同；q形式不同的地址其有效地址卻可能相同。形式不同的地址其有效地址卻可能相同。2. 名相關(guān)名：指令所訪問的寄存器或存儲器單元的名稱。如果兩條指令使用相同的名，但是它們之間并沒有數(shù)據(jù)流動，則稱這兩條

41、指令存在名相關(guān)。4949/101/1013.4 流水線的相關(guān)與沖突指令j與指令i之間的名相關(guān)有兩種：q反相關(guān)：反相關(guān)：如果指令如果指令j j寫的名與指令寫的名與指令i i讀的名相同，則讀的名相同，則 稱指令稱指令i i和和j j發(fā)生了反相關(guān)。發(fā)生了反相關(guān)。 指令指令j j寫的名指令寫的名指令i i讀的名讀的名q輸出相關(guān)：輸出相關(guān)：如果指令如果指令j j和指令和指令i i寫相同的名，則稱指寫相同的名，則稱指 令令i i和和j j發(fā)生了輸出相關(guān)。發(fā)生了輸出相關(guān)。 指令指令j j寫的名指令寫的名指令i i寫的名寫的名5050/101/1013.4 流水線的相關(guān)與沖突名相關(guān)的兩條指令之間并沒有數(shù)據(jù)的傳

42、送。如果一條指令中的名改變了，并不影響另外一條指令的執(zhí)行。換名技術(shù)q換名技術(shù)：換名技術(shù)：通過改變指令中操作數(shù)的名來消除名相關(guān)。通過改變指令中操作數(shù)的名來消除名相關(guān)。q對于寄存器操作數(shù)進(jìn)行換名稱為對于寄存器操作數(shù)進(jìn)行換名稱為寄存器換名。寄存器換名。既可以用編譯器靜態(tài)實(shí)現(xiàn)，也可以用硬件動態(tài)完成。既可以用編譯器靜態(tài)實(shí)現(xiàn)，也可以用硬件動態(tài)完成。5151/101/1013.4 流水線的相關(guān)與沖突3. 控制相關(guān) 控制相關(guān)是指由分支指令引起的相關(guān)。q為了保證程序應(yīng)有的執(zhí)行順序，必須嚴(yán)格按控制相為了保證程序應(yīng)有的執(zhí)行順序，必須嚴(yán)格按控制相 關(guān)確定的順序執(zhí)行。關(guān)確定的順序執(zhí)行。典型的程序結(jié)構(gòu)是“if-then”

43、結(jié)構(gòu)。請看一個(gè)示例：if p1 if p1 S1 S1； ；S S；if p2 if p2 S2 S2； ；5252/101/1013.4 流水線的相關(guān)與沖突控制相關(guān)帶來了以下兩個(gè)限制：q與一條分支指令控制相關(guān)的指令不能被移到該分支與一條分支指令控制相關(guān)的指令不能被移到該分支 之前。否則這些指令就不受該分支控制了。之前。否則這些指令就不受該分支控制了。 對于上述的例子，對于上述的例子，thenthen 部分中的指令不能移到部分中的指令不能移到ifif語語句之前。句之前。 q如果一條指令與某分支指令不存在控制相關(guān)，就不如果一條指令與某分支指令不存在控制相關(guān)，就不 能把該指令移到該分支之后。能把該

44、指令移到該分支之后。對于上述的例子，不能把對于上述的例子，不能把S S移到移到ifif語句的語句的thenthen 部分中。部分中。5353/101/1013.4 流水線的相關(guān)與沖突 流水線沖突是指對于具體的流水線來說，由于相關(guān)的存在，使得指令流中的下一條指令不能在指定的時(shí)鐘周期執(zhí)行。 流水線沖突有3種類型：q結(jié)構(gòu)沖突：結(jié)構(gòu)沖突：因硬件資源滿足不了指令重疊執(zhí)行因硬件資源滿足不了指令重疊執(zhí)行的要求而發(fā)生的沖突。的要求而發(fā)生的沖突。q數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)沖突：沖突：當(dāng)指令在流水線中重疊執(zhí)行時(shí)，因當(dāng)指令在流水線中重疊執(zhí)行時(shí)，因需要用需要用到前面指令的執(zhí)行結(jié)果而發(fā)到前面指令的執(zhí)行結(jié)果而發(fā)生的沖突。生的沖突。q控制

45、沖突：控制沖突：流水線遇到分支指令和其它會改變流水線遇到分支指令和其它會改變PCPC值的值的指令所引起的沖突。指令所引起的沖突。3.4.2.2 流水線沖突5454/101/1013.4 流水線的相關(guān)與沖突帶來的幾個(gè)問題：導(dǎo)致錯誤的執(zhí)行結(jié)果。流水線可能會出現(xiàn)停頓，從而降低流水線的效率 和實(shí)際的加速比。我們約定 當(dāng)一條指令被暫停時(shí)，在該暫停指令之后流出的所當(dāng)一條指令被暫停時(shí)，在該暫停指令之后流出的所有指令都要被暫停，而在該暫停指令之前流出的指令則有指令都要被暫停，而在該暫停指令之前流出的指令則繼續(xù)進(jìn)行（否則就永遠(yuǎn)無法消除沖突）。繼續(xù)進(jìn)行（否則就永遠(yuǎn)無法消除沖突）。5555/101/1013.4 流

46、水線的相關(guān)與沖突1. 結(jié)構(gòu)沖突在流水線處理機(jī)中，為了能夠使各種組合的指令都能順利地重疊執(zhí)行，需要對功能部件進(jìn)行流水 或重復(fù)設(shè)置資源。如果某種指令組合因?yàn)橘Y源沖突而不能正常執(zhí)行，則稱該處理機(jī)有結(jié)構(gòu)沖突。常見的導(dǎo)致結(jié)構(gòu)沖突的原因：q功能部件不是完全流水功能部件不是完全流水q資源份數(shù)不夠資源份數(shù)不夠5656/101/1013.4 流水線的相關(guān)與沖突結(jié)構(gòu)沖突舉例：訪存沖突 有些流水線處理機(jī)只有一個(gè)存儲器，將數(shù)據(jù)和指令放在一起，訪存指令會導(dǎo)致訪存沖突。q解決辦法解決辦法：插入暫停周期插入暫停周期 （“流水線氣泡流水線氣泡”或或“氣泡氣泡”） 引入暫停后的時(shí)空圖引入暫停后的時(shí)空圖q解決方法解決方法： 設(shè)置

47、相互獨(dú)立的指令存儲器和數(shù)據(jù)存儲器設(shè)置相互獨(dú)立的指令存儲器和數(shù)據(jù)存儲器 或設(shè)置相互獨(dú)立的指令或設(shè)置相互獨(dú)立的指令CacheCache和數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)CacheCache。5757/101/1013.4 流水線的相關(guān)與沖突有時(shí)流水線設(shè)計(jì)者允許結(jié)構(gòu)沖突的存在主要原因：主要原因：減少硬件成本減少硬件成本q如果如果把流水線中的所有功能單元完全流水化，把流水線中的所有功能單元完全流水化，或者重復(fù)或者重復(fù)設(shè)置足夠份數(shù)，那么設(shè)置足夠份數(shù)，那么所花費(fèi)的成本將相當(dāng)高。所花費(fèi)的成本將相當(dāng)高。2. 數(shù)據(jù)沖突 當(dāng)相關(guān)的指令靠得足夠近時(shí)，它們在流水線中的重疊執(zhí)行或者重新排序會改變指令讀/寫操作數(shù)的順序，使之不同于它們串行執(zhí)行

48、時(shí)的順序，則發(fā)生了數(shù)據(jù)沖突。 5858/101/1013.4 流水線的相關(guān)與沖突根據(jù)指令讀訪問和寫訪問的順序，可以將數(shù)據(jù)沖 突分為3種類型。 考慮考慮兩條指令兩條指令i i和和j j ，且，且i i在在j j之前進(jìn)入流水線，之前進(jìn)入流水線，可能發(fā)生的數(shù)據(jù)沖突有：可能發(fā)生的數(shù)據(jù)沖突有：q寫后讀沖突（寫后讀沖突（RAWRAW） 在在 i i 寫入之前，寫入之前，j j 先去讀。先去讀。 j j 讀出的內(nèi)容是錯誤的。讀出的內(nèi)容是錯誤的。 這是最常見的一種數(shù)據(jù)沖突，它對應(yīng)于這是最常見的一種數(shù)據(jù)沖突，它對應(yīng)于真數(shù)據(jù)相關(guān)。真數(shù)據(jù)相關(guān)。 q寫后寫沖突（寫后寫沖突（WAWWAW） 在在 i i 寫入之前，寫入之前，j j