全国计算机等级考试 四级,2017年全国计算机等级考试四级复习纲要：考试要点4

（五） 指令的流水处理

1.流水线的基本概念

（1）指令控制方式指令控制方式有3种，顺序方式、重叠方式、流水方式。顺序方式是指各条机器指令之间顺序串行地执行，执行完一条指令后才取下一条指令，而且每条机器指令内部的各个微操作也是顺序串行地执行。这种方式的优点是控制简单。缺点是速度上不去，机器各部件的利用率低。重叠方式是指在解释第K条指令的操作完成之前，就可开始解释第K+1条指令。通常采用的是一次重叠，即在任何时候，指令分析部件和指令执行部件都只有相邻两条指令在重叠解释。这种方式的优点是速度有所提高，控制也不太复杂，缺点是会出现冲突、转移、相关等问题，在设计时必须想办法解决。流水方式是模仿工业生产过程的流水线（如汽车装配线）而提出的一种指令控制方式。流水（pipelining）技术是把并行性或并发性镶嵌到计算机系统里的一种形式。它是一种把重复的顺序处理过程分解为若干子过程，每个子过程能在专用的独立模块上有效地并发工作的技术。在概念上“流水”可以看成是“重叠”的延伸。差别仅在于“一次重叠”只是把一条指令解释分解为两个子过程，而“流水”则是分解为更多的子过程。为了描述流水线的工作，我们画出时空图，它是分析评价流水线性能的重要工具。来源：www.examda.com

（2）流水线的种类

①从流水的级别上，可分为部件级、处理机级以及系统级的流水。

②从流水的功能上，可分为单功能流水线和多功能流水线。

③从流水的联接上，可分为静态流水线和动态流水线。这是针对多功能流水线而分的。

④从流水是否有反馈回路，可分为线性流水线和非线性流水线。

⑤从流水的流动顺序上，可分为同步流水线和异步流水线。

⑥从流水线的数据表示上，可分为标量流水线和向量流水线。

（3）流水的相关处理

①局部性相关处理由于流水机器同时解释多条指令，这些指令可能有对同一主存单元或同一寄存器的“先写后读”的要求，这时就出现了相关，这种相关包括指令相关、访存操作数相关以及通用寄存器组相关等，它只影响相关的两条或几条指令，而且至多影响流水线的某些段推后工作，并不会改动指令缓冲器中预取到的指令内容，影响是局部的，所以称为局部性相关。解决局部性相关有两种方法:一种是推后法，即推后对相关单元的读，直至写入完成。另一种是通路法，即设置相关专用通路，使得不必先把运算结果写入相关存储单元，再从这里读出后才能使用，而是经过相关专用通路直接使用运算结果，这样可以加快速度。

②全部性相关处理转移指令（尤其是条件转移指令）与它后面的指令之间存在关联，使之不能同时解释，执行转移指令时，可能会改动指令缓冲器中预取到的指令内容，从而会造成流水线吞吐率和效率下降，比局部性相关的影响要严重得多，所以称为全局性相关。解决全局性相关有三种方法:一种是猜测转移分支;一种是加快和提前形成条件码;还有一种是加快短循环程序的处理。条件转移指令有两个分支:一个分支是按原来的顺序继续执行下去，称为转移不成功分支。另一个分支是按转移后的新指令序列执行，称为转移成功分支。许多流水机器都猜选转移不成功分支，这样做时，猜对的机率很大，流水线的吞吐率和效率就会比不采用猜测法时高得多。除猜测法外，还可以尽早获得条件码以便对流水线简化条件转移的处理。这意味着能精确地预知流向哪个分支。事实上，完全有可能提前形成条件码，例如一个乘法算所需时间较长，但在运算之前就能知道其结果为正或为负，或者是否为零，因此，加快单条指令内部条件码的形成，或者在一段程序内提前形成条件码，对转移问题的顺利解决是很有好处的。由于程序中广泛采用循环结构，所以流水线大都采用特殊措施以加快循环程序的处理。例如使整个循环程序都放入指令缓冲存储器中，对提高流水效率和吞吐率均有明显效果。

③流水的中断处理中断和转移一样，也会引起流水线断流。好在中断出现的概率要比条件转移出现的概率低得多，因此只要处理好断点现场保护及中断后的恢复，尽量缩短断流时间即可。

2.RISC中的流水技术

RISC中采用的流水技术有3种:超流水线、超标量以及超长指令字。

（1）超流水线技术超流水线（superpipelime）技术是RISC采用的一种并行处理技术。它通过细化流水、增加级数和提高主频，使得在每个机器周期内能完成一个甚至两个浮点操作。它的实质是以时间换取空间。超流水机器的特征是在所有的功能单元都采用流水，并有更高的时钟频率和更深的流水深度。由于它只限于指令级的并行，所以超流水机器的CPI值稍高，CPI的含义是每个指令需要的机器周期数（clock cycles per instruction）。不过，它在时钟频率高方面的优点大于其在CPI方面的缺点。

（2）超标量技术超标量（superscalar）技术是RISC采用的又一种并行处理技术。它通过内装多条流水线来同时执行多个处理，其时钟频率虽然与一般流水接近，但它却有更小的CPI。它的实质是以空间换取时间。许多研究人员都曾建议过“多指令分发”（multiple instruction issue）技术，Agerwala和Cocke把这种方法作为RISC思想的扩充，并创造了Supersalar一词。超标量结构正变得越来越复杂。除了指令数目增加外，在执行程序时还要靠硬件来对指令的处理顺序进行动态控制。硬件的复杂性还将随着时钟频率的提高而增加。来源：www.examda.com

（3）超长指令字技术超长指令字（very long instruction word）简称为VILW技术，它由LIW发展而来。VLIW和超标量都是80年代出现的概念，其共同点都是要同时执行多条指令，其不同在于超标量依靠硬件来实现并行处理的调度，VILW则充分发挥软件的作用，而使硬件简化，性能提高。例如，超标量同时分发4条指令已经困难，但是VLIW同时分发8条指令的产品已经指日可待。因此，VLIW有更小的CPI值，但也要有足够高的时钟频率。为使每个功能单元都保持在忙状态，在直线代码序列（straightline code sequence）中必须使经过调度的指令有足够的工作。这是使用跟踪调度（trace scheduling）技术，通过解开循环（unˉrolling loops）和跨过基本块调度代码（scheduling code across basic blocks）来完成的。总之，利用VLIW可以提高指令处理的并行程度，减小CPI，简化控制硬件而可以设置更多的运算器和扩大Cache容量，同时还能提高与内存间数据传输的速率，以便采用更高的时钟频率，使得在超标量潜力已尽的情况下把微处理器的性能再提高2至5倍以上。

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