計算機組成原理-第17-18講(第5章)

1、計算機組成原理計算機組成原理計算機學院1l在在CPUCPU（運算控制器）邏輯框圖中，由（運算控制器）邏輯框圖中，由“時序控時序控制信號形成部件制信號形成部件”產生控制計算機各部分操作所產生控制計算機各部分操作所需的控制信號。這個部件的組成一般有兩種方式，需的控制信號。這個部件的組成一般有兩種方式，一種為一種為微程序控制方式微程序控制方式；另一種為；另一種為硬布線控制方硬布線控制方式式，l硬布線控制方式是通過邏輯電路直接連線而產生硬布線控制方式是通過邏輯電路直接連線而產生控制信號的，所以又稱為組合邏輯控制方式。本控制信號的，所以又稱為組合邏輯控制方式。本節(jié)主要討論硬布線控制方式與微程序控制的差別

2、節(jié)主要討論硬布線控制方式與微程序控制的差別上，相同部分不在重復。上，相同部分不在重復。計算機組成原理計算機組成原理計算機學院2l一條加法指令的實現(xiàn)可分成取指、計算地址、取一條加法指令的實現(xiàn)可分成取指、計算地址、取數(shù)及執(zhí)行等幾個步驟，在微程序中，每一步由一數(shù)及執(zhí)行等幾個步驟，在微程序中，每一步由一條微指令實現(xiàn)；在硬布線控制方式中由指令的操條微指令實現(xiàn)；在硬布線控制方式中由指令的操作碼直接控制并產生實現(xiàn)上述各步驟所需的控制作碼直接控制并產生實現(xiàn)上述各步驟所需的控制信號。在大部分情況下，每一步由一個機器周期信號。在大部分情況下，每一步由一個機器周期實現(xiàn)，實現(xiàn)，如何區(qū)分一條指令的四個機器周期呢？如何區(qū)

3、分一條指令的四個機器周期呢？可可以采用兩位計數(shù)器的譯碼輸出來表示當前所處的以采用兩位計數(shù)器的譯碼輸出來表示當前所處的機器周期。機器周期。計算機組成原理計算機組成原理計算機學院3計算機組成原理計算機組成原理計算機學院4也可用四個觸發(fā)器來分別表示四個周期，當機器也可用四個觸發(fā)器來分別表示四個周期，當機器處于某一周期時，相應的觸發(fā)器處于處于某一周期時，相應的觸發(fā)器處于“1”1”狀態(tài)，狀態(tài)，而其余三個觸發(fā)器處于而其余三個觸發(fā)器處于“0”0”狀態(tài)，四位移位寄存狀態(tài)，四位移位寄存器即可實現(xiàn)此功能。器即可實現(xiàn)此功能。設以設以cy1,cy2,cy3,cy4cy1,cy2,cy3,cy4分別表示四個機器周期，在

4、分別表示四個機器周期，在初始化初始化resetreset）時，令）時，令cy1cy1處于處于“1”1”狀態(tài)，其余的狀態(tài)，其余的均處于均處于“0”0”狀態(tài)，即機器處于取指周期，然后實狀態(tài)，即機器處于取指周期，然后實現(xiàn)循環(huán)移位，可保證四個觸發(fā)器中有一位且僅有現(xiàn)循環(huán)移位，可保證四個觸發(fā)器中有一位且僅有一位處于一位處于“1”1”狀態(tài)狀態(tài)計算機組成原理計算機組成原理計算機學院5然而由于每條指令的功能不同，所需的機器周期數(shù)可能就不然而由于每條指令的功能不同，所需的機器周期數(shù)可能就不相同，因此某些指令可能缺少某個周期，而有些復雜指令則相同，因此某些指令可能缺少某個周期，而有些復雜指令則需延長，從而使得上述計

5、數(shù)器或移位寄存器的工作時序發(fā)生需延長，從而使得上述計數(shù)器或移位寄存器的工作時序發(fā)生變化，而且其變化規(guī)律與指令有關。變化，而且其變化規(guī)律與指令有關。例如，執(zhí)行例如，執(zhí)行A A指令時需要四個機器周期，因此計數(shù)器的變化指令時需要四個機器周期，因此計數(shù)器的變化規(guī)律是規(guī)律是0001101100011011；而執(zhí)行而執(zhí)行B B指令時僅需三個機器周期（假如不用計算地址），指令時僅需三個機器周期（假如不用計算地址），因此計數(shù)器的變化規(guī)律是因此計數(shù)器的變化規(guī)律是001011001011。根據(jù)根據(jù)A，B指令計數(shù)器狀態(tài)變化真值表指令計數(shù)器狀態(tài)變化真值表列出表達式。列出表達式。計算機組成原理計算機組成原理計算機學院6

6、A A指令指令B B指令指令cyA cyBcyA cyBcyA cyBcyA cyB0 00 10 11 0 0 01 0 1 01 11 01 11 10 01 10 0計算機組成原理計算機組成原理計算機學院7對于對于A A指令，其表達式為：指令，其表達式為： 對于對于B B指令，其表達式為指令，其表達式為 cyBcyAcyBcyAcyAcyBcyAcyBcyAcyBcyBcyAcyBcyAcyAcyBcyAcyB計算機組成原理計算機組成原理計算機學院8譯碼器輸出產生毛刺的原因及處理方法譯碼器輸出產生毛刺的原因及處理方法計算機組成原理計算機組成原理計算機學院91.1.操作碼譯碼器操作碼譯碼器

7、指令由操作碼與地址碼兩部分組成，其中操作碼表示當前指令由操作碼與地址碼兩部分組成，其中操作碼表示當前執(zhí)行的是什么指令，例如加法指令還是減法指令。假如操執(zhí)行的是什么指令，例如加法指令還是減法指令。假如操作碼有作碼有7 7位，則最多可表示位，則最多可表示128128條指令，一般在機器設置一條指令，一般在機器設置一個指令譯碼器，其輸入為個指令譯碼器，其輸入為7 7位操作碼，輸出有位操作碼，輸出有128128根線，在根線，在任何時候，有且僅有一根線為高電位，其余均為低電位任何時候，有且僅有一根線為高電位，其余均為低電位（或一根線為低電位，其余為高電位），每根輸出線表示（或一根線為低電位，其余為高電位）

8、，每根輸出線表示一條指令，因此譯碼器的輸出反映當前正在執(zhí)行的指令。一條指令，因此譯碼器的輸出反映當前正在執(zhí)行的指令。計算機組成原理計算機組成原理計算機學院10由譯碼器的輸出由譯碼器的輸出和機器周期狀態(tài)和機器周期狀態(tài)cy1cy1cy4cy4作為輸作為輸入，使用邏輯電入，使用邏輯電路產生操作控制路產生操作控制信號。信號。計算機組成原理計算機組成原理計算機學院112.2.操作控制信號的產生操作控制信號的產生主要討論主要討論“組合邏輯電路組合邏輯電路”的組成。的組成。仍以執(zhí)行一條加法指令為例，假設一條加法指令的仍以執(zhí)行一條加法指令為例，假設一條加法指令的功能是由四個機器周期功能是由四個機器周期cy1c

9、y1cy4cy4完成的，分別為取完成的，分別為取指、計算有效地址、取操作數(shù)、進行加法運算并送指、計算有效地址、取操作數(shù)、進行加法運算并送結果。結果。 計算機組成原理計算機組成原理計算機學院12（1 1）取指周期操作指令（用邏輯式表示）取指周期操作指令（用邏輯式表示） cy1=PCABcy1=PCAB cy1 cy1T1=ADST1=ADS cy1=M/IO# cy1=M/IO# cy1=W/R# cy1=W/R# cy1=DBIR cy1=DBIR cy1 = = PC+1計算機組成原理計算機組成原理計算機學院13（2 2）計算有效地址（用邏輯式表示）計算有效地址（用邏輯式表示） 加法指令加法

10、指令cy2=rs1GRcy2=rs1GR 加法指令加法指令cy2= (rs1)ALUcy2= (rs1)ALU ：加法指令加法指令cy2=ALUAR 計算機組成原理計算機組成原理計算機學院14對所有指令的全部表達式進行綜合分析后可得出如對所有指令的全部表達式進行綜合分析后可得出如下結論：下結論：（1 1）取指周期）取指周期cy1cy1所產生的信號，對所有指令都是所產生的信號，對所有指令都是相同的，即與當前執(zhí)行的指令無關，邏輯式得到最相同的，即與當前執(zhí)行的指令無關，邏輯式得到最簡單的形式。簡單的形式。（2 2）通常，同一個控制信號在若干條指令的某些）通常，同一個控制信號在若干條指令的某些周期中都

11、需要，為此需要把它們組合起來。周期中都需要，為此需要把它們組合起來。計算機組成原理計算機組成原理計算機學院15例如，例如，“+”+”命令在加法指令的命令在加法指令的cy2cy2與與cy4cy4時需要；在減法指時需要；在減法指令的令的cy2cy2時需要；在轉移指令的時需要；在轉移指令的cy2cy2時需要；時需要；用邏輯表達式如下：用邏輯表達式如下：“+”=+”=加法指令加法指令（cy2+cy4)+cy2+cy4)+減法指令減法指令cy2+cy2+轉移指轉移指cy2+cy2+ = =加法指令加法指令cy2+cy2+加法指令加法指令cy4+cy4+ 減法指令減法指令 cy2 + cy2 +轉移指令轉

12、移指令cy2+cy2+，上式中的加法指令、減法指令等信號通常由操作碼譯碼器輸上式中的加法指令、減法指令等信號通常由操作碼譯碼器輸出，譯碼器實際上是由各操作碼的二進制代碼作為輸入的一出，譯碼器實際上是由各操作碼的二進制代碼作為輸入的一組組“與門與門”。 計算機組成原理計算機組成原理計算機學院16設某機有設某機有7 7位操作碼（位操作碼（OP0OP0OP6)OP6)，已知加法指令的操作碼為已知加法指令的操作碼為00011000001100，則形成加法指令信號的，則形成加法指令信號的邏輯表達式為：邏輯表達式為：（3 3）同種類型的指令所需的控制信號大部分是相同的，僅）同種類型的指令所需的控制信號大部

13、分是相同的，僅有少量區(qū)別，例如算術運算中的加法指令（有少量區(qū)別，例如算術運算中的加法指令（ADDADD）和減法指）和減法指令（令（SUBSUB），除了一個），除了一個“+”+”命令與命令與“-”-”命令信號以外，其命令信號以外，其余的控制信號全部相同。余的控制信號全部相同。 7643210OPOPOPOPOPOPOP加法指令計算機組成原理計算機組成原理計算機學院17例如，某機有例如，某機有128128條指令，條指令，7 7位操作碼（位操作碼（OP0OP0OP6)OP6)，其中有十六條算術邏輯運算指令，那么可以令這其中有十六條算術邏輯運算指令，那么可以令這些指令的三位操作碼完全相等（例如些指令的

14、三位操作碼完全相等（例如OP0OP0OP2OP2為為001001），而），而OP3OP3OP6OP6分別表示分別表示1616條指令，設命令條指令，設命令A是所有算術邏輯運算指令在是所有算術邏輯運算指令在cy2周期中都需要產生周期中都需要產生的，則：的，則： 計算機組成原理計算機組成原理計算機學院18A=A=加法指令加法指令cy2+cy2+減法指令減法指令cy2+cy2+邏輯加指邏輯加指令令cy2+cy2+ = =（加法指令（加法指令+ +減法指令減法指令+ +邏輯加指令邏輯加指令+ +） cy2 cy2 從從16項化簡成項化簡成1項，用一個與門即可實現(xiàn)。項，用一個與門即可實現(xiàn)。 2210cyO

15、POPOP計算機組成原理計算機組成原理計算機學院19計算機組成原理計算機組成原理計算機學院20l1.1.指令操作碼的代碼分配指令操作碼的代碼分配 指令系統(tǒng)確定后，指令操作碼的分配對組合邏輯電路的指令系統(tǒng)確定后，指令操作碼的分配對組合邏輯電路的組成影響很大，合理地分配操作碼能節(jié)省控制部分的電組成影響很大，合理地分配操作碼能節(jié)省控制部分的電路、減少延遲時間。路、減少延遲時間。l2.2.確定機器周期、節(jié)拍與主頻確定機器周期、節(jié)拍與主頻 一般情況下，機器的周期基本上是根據(jù)存儲器的速度及一般情況下，機器的周期基本上是根據(jù)存儲器的速度及執(zhí)行周期的基本時間確定的。隨之確定機器的主頻、每執(zhí)行周期的基本時間確定

16、的。隨之確定機器的主頻、每一機器周期的節(jié)拍與時鐘數(shù)。一機器周期的節(jié)拍與時鐘數(shù)。計算機組成原理計算機組成原理計算機學院21l3.3.根據(jù)指令功能，確定每一條指令所需的機器周根據(jù)指令功能，確定每一條指令所需的機器周期以及每一周期所完成的操作期以及每一周期所完成的操作 在確定每條指令在每一機器周期所完成的操作時，在確定每條指令在每一機器周期所完成的操作時，也就得出了相應的操作控制命令。該命令的一般也就得出了相應的操作控制命令。該命令的一般表達式（允許有空位）為：表達式（允許有空位）為： 操作控制命令名操作控制命令名= =指令名指令名* *機器周期機器周期* *節(jié)拍節(jié)拍* *條件條件計算機組成原理計算

17、機組成原理計算機學院22例如，在采用例如，在采用“加減交替法加減交替法”進行除法運算時，根進行除法運算時，根據(jù)上次運算結果的符號，決定本次執(zhí)行加法運算還據(jù)上次運算結果的符號，決定本次執(zhí)行加法運算還是減法運算，表達式為：是減法運算，表達式為： “ “+”+”操作命令操作命令= =除法指令除法指令* *cy4cy4* *N N “ “-”操作命令操作命令=除法指令除法指令*cy4*N 計算機組成原理計算機組成原理計算機學院234.4.綜合所有指令的每一個操作命令，寫出邏輯表達式，并化綜合所有指令的每一個操作命令，寫出邏輯表達式，并化簡之。簡之。例如：例如：“+”+”操作命令，在考慮了乘法和除法指令

18、后，將增加操作命令，在考慮了乘法和除法指令后，將增加表達式內容如下：表達式內容如下： “+”=+”=加法指令加法指令* *（cy2+cy4cy2+cy4）+ +減法指令減法指令* *cy2+cy2+轉移指令轉移指令* *cy2cy2 + +乘法指令乘法指令* *（cy2+cy4cy2+cy4* *y31)+y31)+除法指令除法指令* *（cy2+cy4cy2+cy4* *N N）+ +式中式中y31y31為乘數(shù)寄存器的最低位內容為乘數(shù)寄存器的最低位內容計算機組成原理計算機組成原理計算機學院24l硬布線控制器與微程序控制器，除了操作控制信硬布線控制器與微程序控制器，除了操作控制信號的形成方法和

19、原理有差別外，其余的組成部分號的形成方法和原理有差別外，其余的組成部分沒有本質上的區(qū)別。沒有本質上的區(qū)別。 硬布線控制與微程序控制之間的最顯著差異可歸硬布線控制與微程序控制之間的最顯著差異可歸納為兩點納為兩點計算機組成原理計算機組成原理計算機學院251.1.實現(xiàn)實現(xiàn)微程序控制器的控制功能是在存放微程序的控制器微程序控制器的控制功能是在存放微程序的控制器和存放當前正在執(zhí)行的微指令的寄存器直接控制下和存放當前正在執(zhí)行的微指令的寄存器直接控制下實現(xiàn)的，而硬布線控制則由邏輯門組合實現(xiàn)。前者實現(xiàn)的，而硬布線控制則由邏輯門組合實現(xiàn)。前者電路比較完整，硬布線控制器的控制信號先用邏輯電路比較完整，硬布線控制器

20、的控制信號先用邏輯式列出，經化簡后用電路實現(xiàn)，因而顯得零亂且復式列出，經化簡后用電路實現(xiàn)，因而顯得零亂且復雜，當需修改指令或增加指令時是很麻煩的，有時雜，當需修改指令或增加指令時是很麻煩的，有時甚至沒有可能，因此微程序控制得到廣泛應用。尤甚至沒有可能，因此微程序控制得到廣泛應用。尤其是指令系統(tǒng)復雜的計算機，一般都采用微程序來其是指令系統(tǒng)復雜的計算機，一般都采用微程序來實現(xiàn)控制功能實現(xiàn)控制功能 計算機組成原理計算機組成原理計算機學院262.2.性能性能在同樣的半導體工藝條件下，微程序控制的速度比在同樣的半導體工藝條件下，微程序控制的速度比硬布線控制的速度低，那是因為執(zhí)行每條微指令要硬布線控制的速

21、度低，那是因為執(zhí)行每條微指令要從控存中讀取一次，影響了速度，而硬布線邏輯主從控存中讀取一次，影響了速度，而硬布線邏輯主要取決于電路延遲。要取決于電路延遲。計算機組成原理計算機組成原理計算機學院27l控制器控制一條指令運行的過程是依次執(zhí)行一個控制器控制一條指令運行的過程是依次執(zhí)行一個確定的微操作序列的過程。確定的微操作序列的過程。 控制器的控制方式：如何形成控制不同微操作序控制器的控制方式：如何形成控制不同微操作序列的時序控制信號的方法。常用的有列的時序控制信號的方法。常用的有同步控制方同步控制方式式、異步控制方式異步控制方式和和聯(lián)合控制方式聯(lián)合控制方式。 計算機組成原理計算機組成原理計算機學院

22、281.1.同步控制方式同步控制方式 一條已定的指令在執(zhí)行時所需的機器周期數(shù)和節(jié)拍一條已定的指令在執(zhí)行時所需的機器周期數(shù)和節(jié)拍數(shù)都是固定不變的，則稱為數(shù)都是固定不變的，則稱為同步控制方式同步控制方式。 同步控制方式可以選取的方案：同步控制方式可以選取的方案： （1 1）采用完全統(tǒng)一的機器周期執(zhí)行各種不同的指）采用完全統(tǒng)一的機器周期執(zhí)行各種不同的指令；令； （2 2）采用不同節(jié)拍的機器周期，以解決微操作執(zhí)）采用不同節(jié)拍的機器周期，以解決微操作執(zhí)行所需時間不統(tǒng)一的問題；行所需時間不統(tǒng)一的問題； （3）采用中央控制和局部控制相結合的方法。）采用中央控制和局部控制相結合的方法。 計算機組成原理計算機組

23、成原理計算機學院29將機器的大部分指令安排在一個統(tǒng)一的較短的機器將機器的大部分指令安排在一個統(tǒng)一的較短的機器周期內完成，稱為周期內完成，稱為中央控制中央控制，而將少數(shù)操作復雜的，而將少數(shù)操作復雜的指令中的某些微操作作另行處理稱為指令中的某些微操作作另行處理稱為局部控制局部控制。 2.2.異步控制方式異步控制方式 每條指令，每個微操作需要多少時間就占用多少時每條指令，每個微操作需要多少時間就占用多少時間，即控制器發(fā)出進行某一微操作控制信號后，等間，即控制器發(fā)出進行某一微操作控制信號后，等待執(zhí)行部件完成該操作后發(fā)回的待執(zhí)行部件完成該操作后發(fā)回的“回答回答”或或“結束結束”信號，再開始新的微操作，稱

24、為信號，再開始新的微操作，稱為異步控制方式異步控制方式。 計算機組成原理計算機組成原理計算機學院303.3.聯(lián)合控制方式聯(lián)合控制方式 同步控制和異步控制相結合的方式。對不同指令的同步控制和異步控制相結合的方式。對不同指令的各個微操作實行大部分統(tǒng)一、小部分區(qū)別對待的方各個微操作實行大部分統(tǒng)一、小部分區(qū)別對待的方式。式。 4.4.人工控制方式人工控制方式 為了調機和軟件開發(fā)的需要，在計算機面板或內部為了調機和軟件開發(fā)的需要，在計算機面板或內部往往設置一些開關或按鍵以進行人工控制。最常見往往設置一些開關或按鍵以進行人工控制。最常見的有的有resetreset按鍵、連續(xù)執(zhí)行或單條指令執(zhí)行的轉換按鍵、連

25、續(xù)執(zhí)行或單條指令執(zhí)行的轉換開關、符合停機開關等。開關、符合停機開關等。 計算機組成原理計算機組成原理計算機學院31l1.1.流水線基本工作原理流水線基本工作原理 l計算機執(zhí)行程序是按順序的方式進行的，即程序計算機執(zhí)行程序是按順序的方式進行的，即程序中各條機器指令是按順序串行執(zhí)行的。如果按四中各條機器指令是按順序串行執(zhí)行的。如果按四個周期完成一條指令來考慮，其執(zhí)行過程如下：個周期完成一條指令來考慮，其執(zhí)行過程如下： 取指取指1 1計算地址計算地址1 1取操作數(shù)取操作數(shù)1 1計算存結果計算存結果1 1取指取指2 2計算地址計算地址2 2計算機組成原理計算機組成原理計算機學院32在某些計算機中，在某

26、些計算機中，CPUCPU分成指令部件分成指令部件I I和執(zhí)行部件和執(zhí)行部件E E，指令部件完成取指和指令譯碼等操作，執(zhí)行部件完指令部件完成取指和指令譯碼等操作，執(zhí)行部件完成運算和保存結果等操作。如按指令部件和執(zhí)行部成運算和保存結果等操作。如按指令部件和執(zhí)行部件順序操作來考慮可將程序的執(zhí)行過程表示如下：件順序操作來考慮可將程序的執(zhí)行過程表示如下： I I1 1E E1 1I I2 2E E2 2計算機組成原理計算機組成原理計算機學院33程序是按指令的順序執(zhí)行完一條再執(zhí)行下一條的，程序是按指令的順序執(zhí)行完一條再執(zhí)行下一條的，順序執(zhí)行的優(yōu)點是控制簡單，但是機器各部分的利順序執(zhí)行的優(yōu)點是控制簡單，但是

27、機器各部分的利用率不高。例如，指令部件（用率不高。例如，指令部件（I I）工作時，執(zhí)行部）工作時，執(zhí)行部件（件（E E）基本空閑；而執(zhí)行部件工作時，指令部件）基本空閑；而執(zhí)行部件工作時，指令部件基本空閑。假如把兩條或若干條指令在時間上重疊基本空閑。假如把兩條或若干條指令在時間上重疊起來進行，將大幅度提高程序的執(zhí)行速度。起來進行，將大幅度提高程序的執(zhí)行速度。 將部件分解、隔離，指令分步驟在不同部件中重疊執(zhí)行將部件分解、隔離，指令分步驟在不同部件中重疊執(zhí)行是實現(xiàn)流水線結構的核心思想。是實現(xiàn)流水線結構的核心思想。l按流水線功能多少分類l單功能流水線：單功能流水線：一條流水線只能完成一種單一的一條流水

28、線只能完成一種單一的任務。任務。l多功能流水線：多功能流水線：能夠改變部件之間的連接，從而能夠改變部件之間的連接，從而達到改變其功能的流水線。達到改變其功能的流水線。l1）靜態(tài)流水線：）靜態(tài)流水線：當執(zhí)行某一規(guī)定功能的指令全當執(zhí)行某一規(guī)定功能的指令全部流出后，才允許改變部件間連接的多功能流水部流出后，才允許改變部件間連接的多功能流水線。線。l2）動態(tài)流水線：）動態(tài)流水線：可以在任何時候根據(jù)需要改變可以在任何時候根據(jù)需要改變其部件連接的多功能流水線。其部件連接的多功能流水線。l按功能部件能否通過反饋進行重復使用分類l線性流水線：是在部件上是在部件上無反饋連接的流水線。在這種的流水線。在這種流水線

29、中，流水線中，指令依次通過各個部件僅一次。目前。目前CPU內內所使用的流水線絕大部分都是這類流水線。所使用的流水線絕大部分都是這類流水線。l非線性流水線：是指在各部件除了串行的連接外，還通是指在各部件除了串行的連接外，還通過反饋線使某些部件得以重復使用。指令在通過這種流過反饋線使某些部件得以重復使用。指令在通過這種流水線時，水線時，可能在反饋部件上重復運行若干次。l關于流水線的分類還有多種，具體可以參見教材。關于流水線的分類還有多種，具體可以參見教材。時空圖時空圖：時空圖是分析流水線性能的基本工具，可以直觀地表現(xiàn)流水線的工作過程。橫軸表示時間時間，可以以時鐘周期為單位時鐘周期為單位；縱軸表示空

30、間縱軸表示空間，以功能部件為單功能部件為單位位。圖中每一個方格稱為一個時空區(qū)時空區(qū)。時間 t4t5 t3 t2 t1 0空間指令執(zhí)行 指令分析 分析k 分析k+1 分析k+2 分析k+3 執(zhí)行k 執(zhí)行k+3 執(zhí)行k+2 執(zhí)行k+12級流水線工作時空圖l線性流水線的性能分析l1吞吐率l把流水線在單位時間內完成的任務量把流水線在單位時間內完成的任務量定義為吞吐率定義為吞吐率。l式中，式中，n為完成任務的總數(shù)，在指令流水線中就是完成的為完成任務的總數(shù)，在指令流水線中就是完成的指令總條數(shù)；指令總條數(shù)；Tk是完成是完成n個任務所用的時間。個任務所用的時間。kTnTP l一條一條k級的流水線，執(zhí)行級的流水

31、線，執(zhí)行n條指令所需的總時間為條指令所需的總時間為l（沒有考慮相關瓶頸）n-1 123nn-1123nn-1123nn-1123n k t (n-1)tn t (k-1)tTk時間空間S1S2S3S4各級執(zhí)行時間相等流水線的時空圖tnkTkD D- - ) 1(l所以，對一條各級執(zhí)行時間相等的所以，對一條各級執(zhí)行時間相等的k級流水線而言，級流水線而言，在不考慮相關瓶頸的前提下，其吞吐率為：在不考慮相關瓶頸的前提下，其吞吐率為：l當當n時，（時，（k 1）可以忽略不計，得到的最大吞）可以忽略不計，得到的最大吞吐率為：吐率為：tnknTPD D- - ) 1(ttnknTPnD D D D- -

32、1) 1(limmax2 2加速比加速比（沒考慮相關瓶頸）（沒考慮相關瓶頸）如果順序結構執(zhí)行n條指令所用的時間為T0，流水線結構所用時間為Tk，那么加速比就是S=T0/Tk。順序結構執(zhí)行n條指令所需時間就為T0=nkt。而一個采用流水線的處理機所需時間為Tk=(k+n1)t。所以加速比就為：1)1(0- - D D- - D D nknktnktknTTSk最大加速比：knknkSn - - 1limmax如果考慮各級執(zhí)行時間不等的情況時，可得到加速比為： D DD DD D- - D DD D kikikiitttnttnS1211),(max)1( 3 3效率效率（沒考慮相關瓶頸）（沒考慮

33、相關瓶頸） 效率被定義為個流水線級占用的總時空區(qū)個流水線級占用的總時空區(qū)條指令占用的時空區(qū)條指令占用的時空區(qū)knE 各級執(zhí)行時間相等的流水線效率等于1) 1(- - D D- - D D nkntnkktknE顯然，n越大，空閑部件占據(jù)的比例就小，流水線表現(xiàn)的效率越高。最高效率為11limmax - - nknEn吞吐率與效率之間的關系：E=TP t，或為TP=E /t。前提：功能部件個數(shù)相等，且各功能部件定義完全一致，即同等資源條件下前提：功能部件個數(shù)相等，且各功能部件定義完全一致，即同等資源條件下效率與加速比的關系：E=S/k，或S=k E。時間空間12349123491234912349

34、12349 1 2 3 18 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17S5S1S2S3S45級線性流水線一種工作時空圖5555566666777778888810101010101111111111121212121213131313131414141414吞吐率TP：TP=n/Tk=14/18t= 1/2t流水線的加速比：S=T0/Tk=(5*14 t/(18t)=5效率：E=14/18=7/9計算機組成原理計算機組成原理計算機學院44由于流水線相鄰兩段在執(zhí)行不同指令（或操作），因此無論由于流水線相鄰兩段在執(zhí)行不同指令（或操作），因此無論是指令流水線或運算操作流

35、水線，在相鄰兩段之間必須設置是指令流水線或運算操作流水線，在相鄰兩段之間必須設置鎖存器或寄存器，以保證在一個周期內流水線的輸入信號不鎖存器或寄存器，以保證在一個周期內流水線的輸入信號不變。變。 2.2.流水線中的相關問題流水線中的相關問題 流水線不能連續(xù)工作的原因，除了編譯形成的程序不能發(fā)揮流水線不能連續(xù)工作的原因，除了編譯形成的程序不能發(fā)揮流水線的作用或存儲器供應不上為連續(xù)流動所需的指令和數(shù)流水線的作用或存儲器供應不上為連續(xù)流動所需的指令和數(shù)據(jù)以外，還因為出現(xiàn)了據(jù)以外，還因為出現(xiàn)了“相關相關”情況或遇到了程序轉移指令情況或遇到了程序轉移指令。 計算機組成原理計算機組成原理計算機學院45“數(shù)據(jù)

36、相關數(shù)據(jù)相關”：假如第二條指令的操作數(shù)地址即為：假如第二條指令的操作數(shù)地址即為第一條指令保存結果的地址，那么取操作數(shù)第一條指令保存結果的地址，那么取操作數(shù)2 2的動的動作需要作需要t t時間才能進行，否則取得的數(shù)據(jù)是錯誤的，時間才能進行，否則取得的數(shù)據(jù)是錯誤的，這種情況稱為數(shù)據(jù)相關。（根據(jù)數(shù)據(jù)是存儲在存儲這種情況稱為數(shù)據(jù)相關。（根據(jù)數(shù)據(jù)是存儲在存儲器或通用寄存器中，分別稱為存儲器數(shù)據(jù)相關或寄器或通用寄存器中，分別稱為存儲器數(shù)據(jù)相關或寄存器數(shù)據(jù)相關。）存器數(shù)據(jù)相關。） 計算機組成原理計算機組成原理計算機學院46“流水線阻塞流水線阻塞”：由于計算機內有較多指令存在，：由于計算機內有較多指令存在，其

37、繁簡程度不一，執(zhí)行時間及流水線級數(shù)不同，相其繁簡程度不一，執(zhí)行時間及流水線級數(shù)不同，相關的情況各異，有時避免不了產生不能連續(xù)工作的關的情況各異，有時避免不了產生不能連續(xù)工作的情況，這種現(xiàn)象稱為流水線阻塞或產生了情況，這種現(xiàn)象稱為流水線阻塞或產生了“氣泡氣泡”。計算機組成原理計算機組成原理計算機學院47計算機組成原理計算機組成原理計算機學院483.3.程序轉移對流水線的影響程序轉移對流水線的影響 在大多數(shù)流水線機器中，當遇到條件轉移指令時，在大多數(shù)流水線機器中，當遇到條件轉移指令時，確定轉移與否的條件往往由條件轉移指令本身或由確定轉移與否的條件往往由條件轉移指令本身或由它前一條指令形成，只有當它流出流水線時，才能它前一條指令形成，只有當它流出流水線時，才能建立轉移條件并決定下條指令地址。因此當條件轉建立轉移條件并決定下條指令地址。因此當條件轉移指令進入流水線后直到確定下一地址之前，流水移指令進入流水線后直到確定下一地址之前，流水線不能繼續(xù)處理后面的指令而處于等待狀態(tài)，因而線不能繼續(xù)處理后面的指令而處于等待狀態(tài)，因而影響流水線效率（產生影響流水線效率（產生“斷流斷流”）。）。 計算機組成原理計算機組成原理計算機學院49在某些計算機中采用了在某些計算機中采用了“猜測法猜測法”技術，機器先確定轉移分技術，機