基于流水線技術(shù)構(gòu)成模型計(jì)算機(jī)的實(shí)驗(yàn)

《組成原理》課程設(shè)計(jì)報(bào)告題目基于流水線技術(shù)構(gòu)成模型計(jì)算機(jī)的實(shí)驗(yàn)學(xué)生姓名學(xué)號(hào)專業(yè)班級(jí)指導(dǎo)老師設(shè)計(jì)日期指導(dǎo)老師評(píng)閱意見：評(píng)閱成績：簽名：目錄一.課程設(shè)計(jì)的目的2二.課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容21、RSIC處理器設(shè)計(jì)的一般原那么22、本實(shí)驗(yàn)中RISC處理器指令系統(tǒng)的定義23、基于RSIC處理器的流水方案設(shè)計(jì)原理3三、大規(guī)模集成電路CPLD器件內(nèi)部設(shè)計(jì)6四、課程設(shè)計(jì)的連線6五、課程設(shè)計(jì)的步驟7六、性能評(píng)價(jià)7七、附錄〔10頁-16頁〕或參考資料8八、課程設(shè)計(jì)總結(jié)〔心得〕8一、課程設(shè)計(jì)的目的1、在掌握RSIC處理器構(gòu)成的模型機(jī)實(shí)驗(yàn)根底上，進(jìn)一步將其構(gòu)成一臺(tái)具有流水功能的模型機(jī)。2、RSIC處理器的五條根本指令為例，并編寫相應(yīng)的微程序，掌握流水概念。二、課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容1、RSIC處理器設(shè)計(jì)的一般原那么：A．確定指令系統(tǒng)時(shí)，只選用使用頻率很高的那些指令，在此根底上增加少量能有效支持操作系統(tǒng)和高級(jí)語言實(shí)現(xiàn)及其它功能的最有用指令。B．大大減少系統(tǒng)采用的尋址方式種類，一般不超過兩種，簡化指令格式，使之限制在1~2種之內(nèi)，并讓全部指令都具有相同的長度。C．所有指令都在一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)完成。D．?dāng)U大通用通用存放器個(gè)數(shù)，盡可能減少訪存操作，所有指令中只有存〔STORE〕、取〔LOAD〕指令才可訪問，其它指令的操作一律都在存放器間進(jìn)行。E．為了提高執(zhí)行速度，大局部指令都采用硬聯(lián)控制實(shí)現(xiàn)，少量采用微程序?qū)崿F(xiàn)。2、本實(shí)驗(yàn)中RISC處理器指令系統(tǒng)的定義A．選用使用頻率比較高的五條根本指令：MOV、ADD、STORE、LOAD、JMPB．尋址方式采用存放器尋址及直接尋址兩種方式。C．指令格式采用單字節(jié)及雙字節(jié)兩種格式：操作碼操作碼RsRd743210A操作碼A操作碼RsRd743210其中Rs或Rd為不同狀態(tài),那么選中不同存放器:Rd存放器Rd存放器001DR0DR1Rs或Rd存放器0110R0R1R2MOV、ADD兩條指令為單周期執(zhí)行完成。STORE、LOAD、JMP三條指令為雙周期執(zhí)行完成。在STORE、LOAD兩條指令里，A為存或取數(shù)的直接地址；在JMP指令里，A為轉(zhuǎn)移地址的立即數(shù)。3、基于RSIC處理器的流水方案設(shè)計(jì)原理：A．本模型采用的數(shù)據(jù)通路圖如下圖：ALUALUDR1DR2R0R2R1R0_BR1_BR2_BLDR0LDR1LDR2LDDR1LDDR2S3S2S1S0MCNALU_BLOADD245PCAR暫存2暫存1譯碼器245IR1預(yù)取部件控制信號(hào)產(chǎn)生IR2執(zhí)行部件控制信號(hào)產(chǎn)生T1LDAC2CRLDAC1ALOADLDPCWRT4T2B.流水模型機(jī)工作原理示意圖指令執(zhí)行控制指令分析控制指令執(zhí)行控制指令分析控制執(zhí)行執(zhí)行指令鎖存及譯碼分析結(jié)果鎖存及譯碼分析結(jié)果時(shí)間T取指、譯碼、操作數(shù)形成執(zhí)行指令本實(shí)驗(yàn)的流水模型機(jī)采用兩級(jí)流水，將系統(tǒng)分為“指令分析部件〞和“指令行部件〞，各部件的執(zhí)行周期均為一個(gè)機(jī)器周期。如上圖所示：“指令分析部件〞主要是取指、譯碼、操作數(shù)形成，IR1將指令碼鎖存，譯碼產(chǎn)生出分析部件所需的控制信號(hào)，形成操作數(shù)，在機(jī)器周期結(jié)束時(shí)，也就是T4的下沿將指令碼遞推到IR2鎖存指令碼后，就會(huì)譯碼出執(zhí)行部件所需的控制信號(hào)，完成指令的執(zhí)行。與此同時(shí)分析部件完成了下一條指令的分析。以上的過程反響出了流水技術(shù)在“時(shí)空〞上的并行性。除第一個(gè)周期外，其它周期兩個(gè)部件都是同時(shí)工作的，每個(gè)周期都會(huì)有一個(gè)結(jié)果輸出?！爸噶罘治霾考暤脑O(shè)計(jì)主要采用了PC專用通路和兩級(jí)暫存技術(shù)，PC專用通路是為訪存指令預(yù)取操作數(shù)地址而用，暫存器是有來暫存操作數(shù)地址，設(shè)計(jì)兩級(jí)暫存可以防止連續(xù)兩條訪存指令帶來的沖突。如果是一級(jí)暫存，在分析第一條訪存指令時(shí)，在T3時(shí)刻將操作數(shù)地址存入暫存。在下一周期里執(zhí)行該訪存指令，同時(shí)分析第二條訪存指令，第一條訪存指令的操作數(shù)地址要在T4時(shí)刻才用到，但是T3時(shí)刻已經(jīng)被分析的第二條訪存指令的操作數(shù)地址復(fù)蓋，這樣就起了沖突。兩級(jí)暫存可解決這問題?！爸噶顖?zhí)行部件〞采用實(shí)驗(yàn)線路板上的“低８位運(yùn)算器模塊〞和“存放器堆模塊〞兩個(gè)單元。下面介紹一下流水方案的邏輯實(shí)現(xiàn)。將一個(gè)機(jī)器周期分成四個(gè)節(jié)拍，分別為Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４。首先在Ｔ１時(shí)刻的上沿，程序計(jì)數(shù)器ＰＣ將操作碼地址打入地址存放器ＡＲ〔ＰＣ－>ＡＲ〕；然后在Ｔ２時(shí)刻的上沿，ＰＣ＋１并且將指令的操作碼打入指令存放器；如果是單字節(jié)指令，如ＭＯＶ、ＡＤＤ指令，到此已經(jīng)完成了指令的預(yù)取及分析，如果是雙字節(jié)指令，如ＳＴＯＲＥ、ＬＯＡＤ指令〔ＪＭＰ指令除外〕，在Ｔ３時(shí)刻的上沿選中ＰＣ專用通路，將操作數(shù)地址打入暫存１中保存，ＪＭＰ指令那么將轉(zhuǎn)移地址直接打入ＰＣ中；在Ｔ４時(shí)刻的上沿，ＰＣ＋１〔ＪＭＰ指令那么不加１〕并且將暫存１的數(shù)據(jù)打入暫存２中保存；在Ｔ４的下沿將控制信號(hào)鎖存。這時(shí)雙字節(jié)指令的預(yù)取及分析也完成。在下一個(gè)機(jī)器周期的Ｔ４時(shí)刻完成指令的執(zhí)行?！爸噶罘治霾考曂瑫r(shí)預(yù)取分析下一條指令。Ｃ.本實(shí)驗(yàn)的指令系統(tǒng)如下：ＭＯＶＭＯＶ００００ＲsRdＡＤＤＡＤＤ０００１RdＪＭＰＪＭＰ００１０ＡＬＯＡＤＬＯＡＤ００１１ＲdＡSTORESTORE０１００RsＡD.本實(shí)驗(yàn)的程序如下：地址〔Ｈ〕內(nèi)容〔Ｈ〕助記符說明００３０LOAD［80］,R0[80]－>R0０１８００２００MOVR0,DR1R0－>DR1０３０３MOVR0,DR２R0－>DR２ ０４１０ADDDR1,DR2,R0 DR1+DR2－>R0０５４０STORER0,[82]R0－>[82]０６８２０７２０JMP0000H－>PC０８００1本實(shí)驗(yàn)除“指令指令執(zhí)行部件〞為實(shí)驗(yàn)線路板上的“低８位運(yùn)算器模塊〞和“存放器堆模塊〞兩個(gè)單元電路構(gòu)成外，其余全部由一片ＣＰＬＤ〔１０３２Ｅ〕芯片設(shè)計(jì)，輸入設(shè)備、輸出設(shè)備、ＲＡＭ及時(shí)序仍由實(shí)驗(yàn)板提供。在本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，00H～7FH為存儲(chǔ)器地址,80H為輸入單元端口地址,82H為輸出單元端口地址。三、大規(guī)模集成電路CPLD器件內(nèi)部設(shè)計(jì)詳細(xì)設(shè)計(jì)文件見隨機(jī)軟件四、課程設(shè)計(jì)的連線拔掉J1,J3,J4,J6,J9,,J13,J14,J15,J18,J20-J22,J24短路塊83連J1(alub中間)9連J3(LDDR1)10連J4(LDDR2)26連J13(LDR0)29連J14(R0_B)34連J6(SWB)32連J9(CE)35連J24(LEDB)33連J18(OUTWR)41連CLR短路片J23插左邊J15(AR)插左邊J10插右邊36-39連KZT1(TS1-TS4)53-60連D7-D0(EXJ3左邊為高位)45-52連EXA1(A7-A0左邊為高位)3-8連SJ2(S3-CN)11-18連(B7-B0)MBUS連BUS4REGBUS連BUS6ALUBUS連BUS1ALUO1連BUS2五、課程設(shè)計(jì)的步驟1、按實(shí)驗(yàn)接線連好實(shí)驗(yàn)線路；2、“運(yùn)行控制〞開關(guān)置運(yùn)行狀態(tài)，“運(yùn)行方式〞開關(guān)置連續(xù)或單步都可；3、在聯(lián)機(jī)狀態(tài)下，將實(shí)驗(yàn)程序的機(jī)器碼寫入存儲(chǔ)器，具體操作先將EXA1撥掉，然后將EXJ1與BUS1相連，再裝載源程序LSX，最后恢復(fù)到先前狀態(tài)。4、撥動(dòng)總清開關(guān)〔0－>１〕，按CPLD區(qū)RESET1鍵，使PC計(jì)數(shù)器清零，程序首地址為00H；5、運(yùn)行，從數(shù)據(jù)輸入開關(guān)輸入數(shù)據(jù)，數(shù)碼管上為輸出結(jié)果。其運(yùn)行結(jié)果如下：A、執(zhí)行清零后的效果圖為：B、輸入00000101后數(shù)碼管上顯示出結(jié)果的效果圖為：C、輸入00001001后數(shù)碼管顯示出結(jié)果的效果圖為：六、性能評(píng)測1、本實(shí)驗(yàn)在精簡指令處理器的根底上以流水方案實(shí)現(xiàn)模型機(jī)功能，除第一個(gè)機(jī)器周期預(yù)取指令外，其它每個(gè)機(jī)器周期都有結(jié)果輸出，與以前的基于RSIC處理器構(gòu)成的模型機(jī)相比大大提高了執(zhí)行效率，前面基于RSIC處理器的實(shí)驗(yàn)沒有指令預(yù)取部件和執(zhí)行部件的概念，在遇到訪內(nèi)指令時(shí)它需要兩個(gè)機(jī)器周期才能完成。2本實(shí)驗(yàn)流水方案清晰，易于理解。由于該實(shí)驗(yàn)是流水的原理性實(shí)驗(yàn)，故指令系統(tǒng)也比較簡單。七、附錄與參考資料1、【DVCC系列】計(jì)算機(jī)組成原理及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)常德：湖南文理學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院20232、王愛英主編計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)〔第四版〕北京：清華大學(xué)出版社，20063、唐朔飛主編計(jì)算機(jī)組成原理〔第二版〕北京：高等教育出版社，19994、譚浩強(qiáng)主編計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)北京：清華大學(xué)出版社，20045、在網(wǎng)上查找相關(guān)資料〔見附錄〕八、課程設(shè)計(jì)總結(jié)〔心得〕總的來說，本次課程設(shè)計(jì)是很成功的。通過幾天的上機(jī)操作，初步掌握了RSIC處理器構(gòu)成的模型機(jī)實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步理解了RSIC處理器的五條根本指令，特別是對(duì)于流水線技術(shù)有了一定的認(rèn)識(shí)，同時(shí)也在程序設(shè)計(jì)中也發(fā)現(xiàn)了不少問題：A：相關(guān)RSIC處理器的知識(shí)不是很了解B：不能夠自己獨(dú)立的編寫代碼C：不能靈活的運(yùn)用理論知識(shí)來解決實(shí)際問題，知識(shí)學(xué)得比較死板D：對(duì)相關(guān)的知識(shí)理解的不夠深刻E：操作時(shí)有點(diǎn)粗心，連線太多，很容易連錯(cuò)F：動(dòng)手操作能力不是很好G：在操作中遇到的問題時(shí)不能夠自己獨(dú)立的找出原因并且進(jìn)行相應(yīng)的修改。但是在老師和同組成員的共同努力下，最終還是到達(dá)了很好的效果。在這次組成原理的課程設(shè)計(jì)中讓我學(xué)會(huì)了很多東西：1、做事要認(rèn)真，細(xì)心而且還要有耐心由于我們這一組的題目很難做，需要連接的線路很多，一根線連接錯(cuò)誤都會(huì)導(dǎo)致結(jié)果出不來，而且檢查起來也比較難。每一步都必須很細(xì)心，而且還要有足夠的耐心，出現(xiàn)問題時(shí)，要認(rèn)真的查找問題的原因：是否線路沒連好，聯(lián)機(jī)是是否按照指導(dǎo)書操作的等。2、要正確的認(rèn)識(shí)自己通過這次課程設(shè)計(jì)，讓我看到了自己在很多方面的缺乏，有很多根本的原理，知識(shí)點(diǎn)不理解，也不能自己獨(dú)立的編寫代碼，和那些優(yōu)秀的學(xué)生還是有一定的差距的，在以后的學(xué)習(xí)生活中要正確、客觀的對(duì)自己定位，不能好高騖遠(yuǎn)、也不能過高的的評(píng)價(jià)自己。只有能夠正確的認(rèn)識(shí)到自己的缺乏，并且不斷地改正，一定能夠有所提高的。3、要有合作精神通過分組進(jìn)行本次設(shè)計(jì)讓我們更加相信團(tuán)隊(duì)的力量，小組成員分工合作，有的查資料，有的連接線路，有的看實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，遇到問題時(shí)，成員們互相幫組共同解決，大大的提高了工作效率。4、做事要有恒心，要不怕失敗在這次課程設(shè)計(jì)中，我們這組的失敗次數(shù)最多，單單我一個(gè)人就連接了十幾次線路，還有其他成員也操作了很屢次，由于實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書中的線路連接寫的不是很清楚，我們只有在老師的指導(dǎo)下對(duì)很多能到達(dá)最終效果的可能進(jìn)行嘗試，雖然失敗很屢次，但是每取得一點(diǎn)進(jìn)步都能給我們帶來很大的動(dòng)力以上便是在這次課程設(shè)計(jì)中的感受，我相信這將對(duì)我以后的學(xué)習(xí)、生活都有很大的影響。希望能夠通過自己的不斷努力把這門課程學(xué)的更好、更透徹，而且在其他的課程中也應(yīng)該這樣。附錄：流水CPU

1.流水線的工作原理傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是基于馮·諾伊曼的體系結(jié)構(gòu)，采用的是串行處理。這種計(jì)算機(jī)的主要特點(diǎn)是：計(jì)算機(jī)的各個(gè)操作(如讀/寫存儲(chǔ)器，算術(shù)或邏輯運(yùn)算，I/O操作)只能串行順序地執(zhí)行，即任一時(shí)刻只能進(jìn)行一個(gè)操作。如一條指令的指令構(gòu)成包括取指令、分析指令和執(zhí)行指令。如按四個(gè)周期完成一條指令，其執(zhí)行過程如下：取指令I(lǐng)1指令譯碼I1取指令I(lǐng)1運(yùn)算I1取指令I(lǐng)2指令譯碼I2....但是計(jì)算機(jī)的串行執(zhí)行速度慢，不能充分發(fā)揮CPU的性能，我們考慮到計(jì)算機(jī)在指令周期目的不同階段，其功能是由不同的組成器件完成的，這樣我們可以設(shè)計(jì)使它們并行執(zhí)行，以通過計(jì)算機(jī)的執(zhí)行速度。從廣義上講，并行性有著兩種含義：一是同時(shí)性，指兩個(gè)以上事件在同一時(shí)刻發(fā)生；二是并發(fā)性，指兩個(gè)以上事件在同一時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)生。計(jì)算機(jī)的并行處理技術(shù)可貫穿于信息加工的各個(gè)步驟和階段，概括起來，主要有三種形式：時(shí)間并行、空間并行和時(shí)間并行+空間并行。(1)時(shí)間并行時(shí)間并行是指時(shí)間重疊，在并行性概念中引入時(shí)間因素，讓多個(gè)處理過程在時(shí)間上相互錯(cuò)開，輪流重疊地使用同一套硬件設(shè)備的各個(gè)局部，以加快硬件周圍而贏得速度。(2)空間并行空間并行是指資源重復(fù)，在并行性概念中引入空間因素，以"數(shù)量取勝"為原那么來大幅度提高計(jì)算機(jī)的處理速度?？臻g并行技術(shù)主要表達(dá)在多處理器系統(tǒng)和多計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。(3)時(shí)間并行+空間并行時(shí)間并行+空間并行指時(shí)間重疊和資源重復(fù)的綜合應(yīng)用，既采用時(shí)間并行性，又采用空間并行性。例如，奔騰CPU采用了超標(biāo)量流水技術(shù)，在一個(gè)機(jī)器周期中同時(shí)執(zhí)行兩條指令，因而既具有時(shí)間并行性，又具有空間并行性。2.流水CPU的組成(1)流水計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)組成圖5-27示出了現(xiàn)代流水計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)組成原理示意圖。圖5-27

流水計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)組成原理示意圖其中CPU按流水線方式組織，通常由三大局部組成：指令部件、指令隊(duì)列、執(zhí)行部件。這三個(gè)功能部件可以組成一個(gè)3級(jí)流水線。執(zhí)行部件可以具有多個(gè)算術(shù)邏輯運(yùn)算部件，這些部件本身又用流水線方式構(gòu)成。由圖5-27可見，當(dāng)執(zhí)行部件正在執(zhí)行第I條指令時(shí)，指令隊(duì)列中存放著I+1，I+2…，I+k條指令，而與此同時(shí)，指令部件正在取第I+k+1條指令。為了使存儲(chǔ)器的存取時(shí)間能與流水線的其他各過程段的速度相匹配，一般都采用多體交叉存儲(chǔ)器。執(zhí)行段的速度匹配問題，通常采用并行的運(yùn)算部件以及部件流水線的工作方式來解決。一般采用的方法包括：1)將執(zhí)行部件分為定點(diǎn)執(zhí)行部件和浮點(diǎn)執(zhí)行部件兩個(gè)可并行執(zhí)行的局部，分別處理定點(diǎn)運(yùn)算指令和浮點(diǎn)運(yùn)算指令；2)在浮點(diǎn)執(zhí)行部件中，又有浮點(diǎn)加法部件和浮點(diǎn)乘/除部件，它們也可以同時(shí)招待不同的指令；3)浮點(diǎn)運(yùn)算部件都以流水線方式工作。(2)流水CPU的時(shí)空?qǐng)D計(jì)算機(jī)的流水處理過程非常類似于工廠中的流水裝配線。為了實(shí)現(xiàn)流水，道德把輸入的任務(wù)〔或過程〕分割給一系列子任務(wù)，并使各子任務(wù)能在流水線的各個(gè)階段并發(fā)地執(zhí)行。當(dāng)任務(wù)連續(xù)不斷地輸入流水線時(shí)，在流水線的輸出端便連續(xù)不斷地吐出執(zhí)行結(jié)果，從而實(shí)現(xiàn)了子任務(wù)級(jí)的并行性。下面通過時(shí)空?qǐng)D來證明這個(gè)結(jié)論。圖5-28(a)表示流水CPU中一個(gè)指令周期的任務(wù)分解。假設(shè)指令周期飲食四個(gè)子過程：取指令(IF)、指令譯碼(ID)、執(zhí)行運(yùn)算(EX)、結(jié)果寫回(WB)，每個(gè)子過程稱為過程段(Si)，這樣，一個(gè)流水線由一系列串聯(lián)的過程段組成。各個(gè)過程段之間設(shè)有高速緩沖存放器，以暫時(shí)保存上一個(gè)過程段子任務(wù)處理的結(jié)果。在統(tǒng)一的時(shí)鐘信號(hào)控制下，數(shù)據(jù)從一個(gè)過程段流向相鄰的過程段。圖5-28(b)表示非流水計(jì)算機(jī)的時(shí)空?qǐng)D。對(duì)非流水計(jì)算機(jī)來說，上一條指令的四個(gè)子過程全部執(zhí)行完畢后才能開始下一條指令。因此，每隔4個(gè)機(jī)器時(shí)鐘周期才有一個(gè)輸出結(jié)果。圖5-28(c)表示流水計(jì)算機(jī)的時(shí)空?qǐng)D。對(duì)流水計(jì)算機(jī)來說，上一條指令與下一條指令的四個(gè)子過程在時(shí)間上可以重疊執(zhí)行。因此，當(dāng)流水線滿載時(shí)，每一個(gè)時(shí)鐘周期就可以輸出一個(gè)結(jié)果。直觀比較后發(fā)現(xiàn)：流水計(jì)算機(jī)在8個(gè)單位時(shí)間中執(zhí)行了5條指令，而非流水計(jì)算機(jī)在8個(gè)單位時(shí)間中僅執(zhí)行了2條指令。顯然，流水技術(shù)的應(yīng)用，使計(jì)算機(jī)的速度大大提高了。圖5-28(d)表示超標(biāo)量流水計(jì)算機(jī)的時(shí)空?qǐng)D。從數(shù)學(xué)概念講，標(biāo)量是指單個(gè)量，而向量是指一組標(biāo)量。一般的流水計(jì)算機(jī)因只有一條指令流水線，所以稱為標(biāo)量流水計(jì)算機(jī)。所謂超標(biāo)量流水，是指它具有兩條以上的指令流水線。如圖5-28(d)所示，當(dāng)流水線滿載時(shí)，每一個(gè)時(shí)鐘周期可以執(zhí)行2條指令。顯然，超標(biāo)量流水計(jì)算機(jī)是時(shí)間并行技術(shù)和空間并行技術(shù)的綜合應(yīng)用。Pentium微型機(jī)就是一個(gè)超標(biāo)量流水計(jì)算機(jī)。(a)一個(gè)指令流水線過程段(b)非流水線時(shí)空?qǐng)D(c)標(biāo)量流水線時(shí)空?qǐng)D(d)超標(biāo)量流水線時(shí)空?qǐng)D圖5-28流水線時(shí)空?qǐng)D(3)流水線分類及注意問題一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可以在不同的并行等級(jí)上采用流水線技術(shù)。常見的流水線形式有：指令流水線、算術(shù)流水線和處理機(jī)流水線。1)指令流水線是指指令步驟的并行。將指令流的處理過程劃分為取指令、譯碼、取操作數(shù)、執(zhí)行、寫回等幾個(gè)并行處理的過程段。目前，幾乎所在地有的高性能計(jì)算機(jī)都采用了指令流水線。2)算術(shù)流水線算術(shù)流水線是指運(yùn)算操作步驟的并行。如流水加法器、流水乘法器、流水除法器等?，F(xiàn)代計(jì)算機(jī)中己廣泛采用了流水的算術(shù)運(yùn)算器。3)處理機(jī)流水線處理機(jī)流水線又稱為宏流水線，是指程序步驟的并行。由一串級(jí)聯(lián)的處理機(jī)構(gòu)成流水線的各個(gè)過程段，每臺(tái)處理機(jī)負(fù)責(zé)某一特定的任務(wù)。數(shù)據(jù)流從第一臺(tái)處理機(jī)輸入，經(jīng)處理后被送入與第二臺(tái)處理機(jī)相聯(lián)的緩沖存儲(chǔ)器中。第二臺(tái)處理機(jī)從該存儲(chǔ)器中取出數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后傳送給第三臺(tái)處理機(jī)，如此串聯(lián)下去。隨著高檔微處理器芯片的出現(xiàn)，構(gòu)造處理機(jī)流水線將變得容易了。處理機(jī)流水線應(yīng)用在多機(jī)系統(tǒng)中。要使流水線具有良好的性能，必須使流水線暢通流動(dòng)，不發(fā)生斷流。但由于流水過程中會(huì)出現(xiàn)以下三種相關(guān)沖突，實(shí)現(xiàn)流水線的不斷流是困難的，這三種相關(guān)是資源相關(guān)、數(shù)據(jù)相關(guān)和控制相關(guān)。RISC簡介RISC〔reducedinstructionsetcomputer，精簡指令集計(jì)算機(jī)〕是一種執(zhí)行較少類型計(jì)算機(jī)指令的微處理器，起源于80年代的MIPS主機(jī)〔即RISC機(jī)〕，RISC機(jī)中采用的微處理器統(tǒng)稱RISC處理器。這樣一來，它能夠以更快的速度執(zhí)行操作〔每秒執(zhí)行更多百萬條指令，即MIPS〕。因?yàn)橛?jì)算機(jī)執(zhí)行每個(gè)指令類型都需要額外的晶體管和電路元件，計(jì)算機(jī)指令集越大就會(huì)使微處理器更復(fù)雜，執(zhí)行操作也會(huì)更慢。紐約約克鎮(zhèn)IBM研究中心的JohnCocke證明，計(jì)算機(jī)中約20%的指令承當(dāng)了80%的工作，于1974年，他提出RISC的概念。第一臺(tái)得益于這個(gè)發(fā)現(xiàn)的電腦是1980年IBM的PC/XT。再后來，IBM的RISCSystem/6000也使用了這個(gè)思想。RISC這個(gè)詞本身屬于伯克利加利福尼亞大學(xué)的一個(gè)教師DavidPatterson。RISC這個(gè)概念還被用在Sun公司的SPARC微處理器中，并促成了現(xiàn)在所謂的MIPS技術(shù)的建立，它是SiliconGraphics的一局部。許多當(dāng)前的微芯片現(xiàn)在都使用RISC概念。RISC概念已經(jīng)引領(lǐng)了微處理器設(shè)計(jì)的一個(gè)更深層次的思索。設(shè)計(jì)中必須考慮到：指令應(yīng)該如何較好的映射到微處理器的時(shí)鐘速度上〔理想情況下，一條指令應(yīng)在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行完〕；體系結(jié)構(gòu)需要多“簡單〞；以及在不訴諸于軟件的幫助下，微芯片本身能做多少工作等等。除了性能的改良，RISC的一些優(yōu)點(diǎn)以及相關(guān)的設(shè)計(jì)改良還有：·如果一個(gè)新的微處理器其目標(biāo)之一是不那么復(fù)雜，那么其開發(fā)與測試將會(huì)更快?！な褂梦⑻幚砥髦噶畹牟僮飨到y(tǒng)及應(yīng)用程序的程序員將會(huì)發(fā)現(xiàn)，使用更小的指令集使得代碼開發(fā)變得更加容易?！ISC的簡單使得在選擇如何使用微處理器上的空間時(shí)擁有更多的自由?！け绕饛那埃呒?jí)語言編譯器能產(chǎn)生更有效的代碼，因?yàn)榫幾g器使用RISC機(jī)器上的更小的指令集。除了RISC，任何全指令集計(jì)算機(jī)都使用的是復(fù)雜指令集計(jì)算〔CISC〕。RISC典型范例如：MIPSR3000、HP—PA8000系列，MotorolaM88000等均屬于RISC微處理器。RISC主要特點(diǎn)RISC微處理器不僅精簡了指令系統(tǒng)，采用超標(biāo)量和超流水線結(jié)構(gòu)；它們的指令數(shù)目只有幾十條，卻大大增強(qiáng)了并行處理能力。如：1987年SunMicrosystem公司推出的SPARC芯片就是一種超標(biāo)量結(jié)構(gòu)的RISC處理器。而SGI公司推出的MIPS處理器那么采用超流水線結(jié)構(gòu)，這些RISC處理器在構(gòu)建并行精簡指令系統(tǒng)多處理機(jī)中起著核心的作用。RISC處理器是當(dāng)今UNIX領(lǐng)域64位多處理機(jī)的主流芯片性能特點(diǎn)一：由于指令集簡化后，流水線以及常用指令均可用硬件執(zhí)行；性能特點(diǎn)二：采用大量的存放器，使大局部指令操作都在存放器之間進(jìn)行，提高了處理速度；性能特點(diǎn)三：采用緩存—主機(jī)—外存三級(jí)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，使取數(shù)與存數(shù)指令分開執(zhí)行，使處理器可以完成盡可能多的工作，且不因從存儲(chǔ)器存取信息而放慢處理速度。應(yīng)用特點(diǎn)；由于RISC處理器指令簡單、采用硬布線控制邏輯、處理能力強(qiáng)、速度快，世界上絕大局部UNIX工作站和效勞器廠商均采用RISC芯片作CPU用。如原DEC的Alpha21364、IBM的PowerPCG4、HP的PA—8900、SGI的R12000A和SUNMicrosystem公司的UltraSPARC║。運(yùn)行特點(diǎn)：RISC芯片的工作頻率一般在400MHZ數(shù)量級(jí)。時(shí)鐘頻率低，功率消耗少，溫升也少，