第5章 流水处理机
空间
输出
累加 相乘 规格化 相加
1 2 3
A A
A
A B
A B A B
1 2 3 1 2 3
对阶移位
减阶
1 2 3
12 3
A A B
输入 1 2 3
时间
线性流水——非线性流水
线性流水线中各个段之间串行的连接，无反馈也无跳 跃，每个任务流经流水线中各个段均只有一次。
非线性流水是指如果流水线中除有串行联接的通路外， 还有某种反馈回路，使一个任务流经流水线时，需多 次经过某个段或越过某些段。
3
2 1
A*C
1
1
2
5
3
4
6
时间
吞吐率：3/8；效率：3/8；
*D
*
+
+
A*(B+C*(D+E*F))+G*H = A*B+A*C*D+A*C*E*F+G*H 空间 4
1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 7 7 1 2 E*F 3 4 5 A*B 6 7 G*H 8 8 8 9 9 9 6 7 8 9
+ ++ ++ + +
⑵、（2+7）*5=45； 时间
乘法 1 2 3 4 5 6 7 8
空间
1 1 4 4 4 4 5 5 6 5 6 7 4 5 6 7 5 6 7 6 7 7
第一章 第二章
计算机系统结构的基本概念 数据表示与指令系统
第三章
第四章 第五章 第六章 第七章 第八章
中断与输入输出系统
存储体系 重叠、流水和向量处理机 并行处理机和相联处理机 多处理机 具有现代特色的计算机
引言：系统结构中的并行性发展
1、并行性的含义： 并行性是指问题中具有可同时运算或操作的特性。 同时性：两个或多个事件在同一时刻发生； 并发性：两个或多个事件在同一时间间隔内发生；
从时 — 空图上看，效率实际上就是 n 个任务占用的时 — 空区面积和m个段总的时—空区面积之比。
提高吞吐率的两个措施：
1 空间
2
3
4
4 3
1
2
3
4
1
1 1 2 2 3
2
3 4
3
4
4
2
1
时间
1、将瓶颈子过程再细化 1 21 22 2 空间 4 23 3 4
1 2 3 4
3
23 22 21 1
1 2 3 4
假设指令的解释分取指、分析和执行3步，每步的 时间相应为t取指 t分析 t执行， 分别计算下列情况下，执行完100条指令所需时间 的一般关系式： ① 顺序方式； ② 仅执行k与取址k+1重叠； ③ 取址k+2分析k+1和执行k流水； 当t取指 = t分析=2，t执行=1
当 t取指 = t执行=5，t分析=2
取
分析
E 取 分析 E
…
取 分析 E 取 分析 E
t取指+100t分析+99max｛t取指，t执行｝+t执行
取 分析 E 取 分析 取 E 分析 E
…
取 分析 取 E 分析 取 E 分析 E
t取指+ max｛t取指，t分析｝+ 98max｛t取指，t分析，t执行｝ +max｛t分析，t执行｝+t执行
一、重叠方式
1、指令的顺序方式与重叠方式解释 指令的顺序解释方式指的是指令与指令之间顺序串 行，指令内的各个微操作之间也是顺序串行的。 优点：每条指令转入下一条指令的时间关系是确定的， 指令间相互的关联关系易于得到控制和处理。 缺点：程序解释的速度低，系统内各部件的时间利用率 低。
指令的重叠解释方式是在相邻的指令之间，让取指 令、分析指令、执行指令等操作在时间上错开重叠的进 行，而指令内部的微操作仍然是顺序串行的。 一次重叠：在任何时间都只有“执行K‖与“分析K+1‖在 时间上重叠。 空间
CU
CS
DS
MISD——多指令流单数据流 Multiple Instruction Stream Single Data Stream IS
DS
CS
MIMD——多指令流多数据流 Multiple Instruction Stream Multiple Data Stream 多处理机 IS CS DS
1
2
3
4
向量流水机——标量流水机
标量流水机则只有流水线，没有向量数据表示，处理向 量、数组时需要借用程序的循环和变址
向量流水机是向量数据表示和流水线的结合
3、流水线处理机的主要性能 吞吐率和效率是反映流水机器性能的主要指标 吞吐率指的是在单位时间内，流水线机器所能处理的数 据、指令或任务的数目
效率是指流水线中设备实际使用时间占整个运行时间之 比，也称为流水线设备的时间利用率；
2、重叠方式对计算机组成的要求
为解决“分析 K+1‖、“执行 K‖ 在重叠时的访主存冲突， 可采用的办法：
①、分别设置各自独立编址的数据存储器和指令存储器， 让存、取操作数和取指令可同时访存。缺点：增加了总 线控制和软件设计的负担。 ②、让主存用逻辑上统一编址的多分体交叉访问的并行 组成方式。缺点：可能发生分体冲突，而使并行度受到 限制 ③、在硬件上，增设有一定容量的指令缓冲器和数据缓 冲器，让主存插空将预取的指令存入指令缓冲器，或将 要写入的数据暂时存入数据缓冲器中。
执行指令 分析指令
1 2 3 4 n
12 3 4 n
时间
采用“一次重叠”的好处是系统只需要一套指令 分析部件和一套指令执行部件，节省了硬件，也简化 了指令之间的相关控制。为了使“一次重叠”方式的 系统能有较高的重叠效率，应使“分析”和“执行” 的时间尽可能调整成一样的。
重叠解释不能加快每条指令的解释速度，但在硬 件增加不多的情形下，可以加快相邻两条指令以及整 段程序的解释，使系统的性能价格比有显著提高。
目前，多采用第二、三种办法的组合。
3．“一次重叠”方式的相关控制
指令相关：
下一条指令的内容取决于上一条指令的执行结果。 条件转移指令与后继指令存在着相关性，会使重 叠效率下降。因此，程序中应尽量减少条件转移指令的 使用。在需要使用条件转移指令时，可采用“延迟转移” 的技术，由编译程序生成目标程序时，将条件转移指令 与其前面的指令交换位置，可使重叠效率不致下降。 另外因为指令在程序的执行过程中允许被修改 （本条指令要等到之前的指令执行完后才能修改形成好） 也可能造成指令相关。解决这种指令相关的根本办法是 在机器中规定指令在执行过程中不允许修改。但是，为 了满足用户编程的灵活性，需要修改指令时，可以设置 类似IBM 370 的“执行”指令，将指令相关转成操作数 相关，统一按操作数相关来处理。
12 3 4 1 23 4 12 34 1 23 4
时间
2、重复设置多套瓶颈段并使之并联
2A 1 2B 2A 1
1 23 4
3 2 1 1 23 4 4
时间
实际吞吐率：
设一 m 段流水线的各段经过时间均为△t 0，
则最大吞吐率TPmax是 1/ △t 0 ； 则完成n条指令共需要T = m* △t 0 + (n –1)* △t 0 则实际吞吐率 TP = n / (m* △t 0 + (n –1)* △t 0 ) = Tpmax / (1 + (m –1) / n)
设有两个向量A和B，各有4个元素，要在如下图所示的静 态双功能流水线上，计算向量点积A· B （a1*b1+a2*b2+a3*b3+a4*b4）。
其中，1→2→3→5组成加法流水线，1→4→5组成乘法流 水线。又设每个流水线所经过的时间均为△t 0 ，而且流水 线的输出结果可以直接返回到输入或暂存于相应的缓冲寄 存器中，其延迟时间和功能切换所需的时间都可以忽略不 计。请求出流水线从开始流入到结果流出这段时间的实际 吞吐率TP和效率η 。
1
2 4
3
5
空间 5 4 3 2
1 23 4 12 34
+ + ++ +
+
+ +
1 23 4 ++ +
+
时间
1
实际吞吐率：7/15 加速比：24 △t 0 / 15 △t 0 = 1.6
效率： 24 △t 0 / 75 △t 0 = 0.32
空间
4 3 2
12 3 45 + 1 23 4 5+ 12 34 5 + + +
3
2 1
A*C
1
1
2
5
3
4
6
时间
吞吐率：3/8；效率：3/8；
*D
*
+
+
A*(B+C*(D+E*F))+G*H = A*B+A*C*D+A*C*E*F+G*H 空间 4
1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 7 6 6 6 7 7 1 2 E*F 3 4 5 A*B 7 6 G*H 8 8 8 9 9 9 8 9
单功能流水——多功能流水 单功能流水是指流水线内各段固定连接，只能完成单一 的一种功能 多功能流水是指流水线中各个段可以有多种不同的连接， 以实现多种不同的功能 在多功能流水线的基础上，静态流水——动态流水 静态流水是指在流水线内各个段于同一时间里只能按其 中的一种功能流水，只有等各个段全部空闲后，才能切 换成按另一种功能的连接来流水，把功能负担加到软件 调整上。 动态流水是指流水线的各个段可以同时为不同的功能服 务，把功能负担加到硬件控制上。
第五章 中央处理器 黑
1、A.C. 23、采用4、CPU 5A.B.C.D. 6A.B.C.D. 78A.B.C.D. 9A. 10A.B.C.D. 11A.B.C.D.12、下列关于动态流水线正确的是（）A.动态流水线是在同一时间内，当某些段正在实现某种运算时，另一些段却在进行另一种运算，这样对提高流水线的效率很有好处，但会使流水线控制变得很复杂B. 动态流水线是指运算操作并行C. 动态流水线是指指令步骤并行D. 动态流水线是指程序步骤并行13、流水CPU是由一系列叫做“段”的处理线路组成的。
一个m段流水线稳定时的CPU的吞吐能力，与m个并行部件的CPU 的吞吐能力相比（）A.具有同等水平的吞吐能力B.不具备同等水平的吞吐能力C. 吞吐能力大于前者的吞吐能力D. 吞吐能力小于前者的吞吐能力14、设指令由取指、分析、执行3个子部件完成，并且每个子部件的时间均为△t，若采用常规标量流水线处理机（即处理机的度为1 ）连续执行12条指令，共需15、若采用度为4的超标量流水线处理机，连续执行上述20条指令，只需16、设指令流水线把一条指令分为取指、分析、执行3个部分，且3部分的时间分别是t取指=2ns，t分析=2ns，t执行=1ns，则100条指令全部执行完毕需17、设指令由取指、分析、执行3个子部件完成，并且每个子部件的时间均为t，若采用常规标量流水线处理机，连续执行8条指令，则流水线的加速比为18、指令流水线中出现数据相关是流水线将受阻，（）可解决数据相关问题。
A.增加硬件资源B.采用旁路技术C.采用分支预测技术D.以上都可以19、关于流水线技术的说法，错误的是（）A.超标量技术需要配置多个功能部件和指令译码电路等B.与超标量技术和超流水线技术相比，超长指令字技术对优化编译器要求更高，而无其他硬件要求C.流水线按序流动时，在RAM、WAR和WAW中，只可能出现RAW相关D.超流水线技术相当于将流水线在分段，从而提高每个周期内功能部件的使用次数二、综合应用题1、某计算机的数据通路结构如图所示，写出实现ADD R1，（R2）的未操作序列（含取指令及确定后继指令的地址）。
计算机系统结构-第五章自考练习题答案
(效率：3/8△t 效率：3/8)同步强化练习一．单项选择题。
1. 重叠机器局部相关的处理方法有两类：推后后续指令对相关单元的读和〔 C 〕。
A.异步流动B.采用顺序流动C.设置相关直接通路D.调整指令流动的顺序2. CRAY-1的流水线是〔 C 〕。
A. 多条单功能流水线B.一条单功能流水线C.一条多功能流水线D.多条多功能流水线3. 指令间的“一次重叠〞是指〔 B 〕。
A.“K 执行〞与“1+K 取指〞重叠B.“1+K 分析〞与“K 执行〞重叠C.“1+K 取指〞与“K 分析〞重叠D. “K 分析〞与“1+K 执行〞重叠4. 指令缓冲器的容量越大，发生指令相关的概率将〔 A 〕。
A.增大B.降低C.不变D.不定5. “取指〞、“分析〞、“执行〞之间的流水属于〔 B 〕。
A.系统级流水B.处理机级流水C.部件级流水D.作业级流水6. 非线性流水线是指〔 B 〕。
A.流水线中某些功能段在各次运算中的作用不同B.一次运算中要屡次使用流水线中的某些功能段C.一次运算中使用流水线的多个功能段D.流水线的各个功能段在各种运算中有不同的组合7. 关于标量流水机的说法有错的是〔 B 〕。
A.没有向量数据表示B.不能对向量数据进展运算C.可对标量数据进展流水处理D.可以对向量、数组进展运算8. 与流水线最大吞吐率有关的是〔 D 〕。
A.最后子过程的时间B.各个子过程的时间C.最快子过程的时间D.最慢子过程的时间9. 在流水线的相关处理中，会发生“写一写〞相关和“先读后写〞相关的是〔 C 〕。
A.猜想法B.顺序流动C.异步流动D.相关专用通路10. 在流水机器中，全局性相关是指〔 D 〕。
A.先读后写相关B.指令相关C.先写后读相关D.由转移指令引起的相关11. IBM360/91机对指令中断的处理方法是〔 A 〕。
A.不准确断点法B.指令复执法C.准确断点法D.对流水线重新调度12. CRAY-1机的两条向量指令V1←V2+V3V4←V1*V5属于〔 B 〕。
计算机组成原理教案(第五章)
(1) I1: ADD R1，R2，R3 ； I2: SUB R4，R1，R5 ；
3.联合控制方式
此为同步控制和异步控制相结合的方式。 情况（1） 大部分操作序列安排在固定的机器周 期中，对某些 时间难以确定的操作则以执行部件的“回答”信号作为本次操 作的结束； 情况（2） 机器周期的节拍脉冲数固定，但是各条指令周期的 机器周期数不固定。
5.4 微程序控制器
5.4.1 微命令和微操作
控 制 字 段 判别测试字段
下地址字段
按照控制字段的编码方法不同，水平型微指令又分为三种：
I. 全水平型(不译法)微指令 II. 字段译码法水平型微指令 III. 直接和译码相混合的水平型微指令。
2.垂直型微指令
微指令中设置微操作码字段，采用微操作码编译法，由 微操作码规定微指令的功能 ，称为垂直型微指令。
下面举4条垂直型微指令的微指令格式加以说明。设微指 令字长为16位，微操作码3位。
(1)寄存器-寄存器传送型微指令 (2)运算控制型微指令
(3)访问主存微指令 (4)
3.水平型微指令与垂直型微指令的比较
(1)水平型微指令并行操作能力强，效率高，灵活性强，垂直型微 指令则较差。
(2)水平型微指令执行一条指令的时间短，垂直型微指令执行时间 长。
5.8.3 流水线中的主要问题
流水过程中通常会出现以下三种相关冲突，使流水线断流。
1. 资源相关
资源相关是指多条指令进入流水线后在同一机器时钟周 期内争用同一个功能部件所发生的冲突。
2. 数据相关
在一个程序中，如果必须等前一条指令执行完毕后，才能 执行后一条指令，那么这两条指令就是数据相关的。
5.8 流水CPU
5.8.1 并行处理技术
计算机组成原理-第五章测试
标记题目信息文本一、选择题题目1正确获得20.00分中的20.00分标记题目题干控制器的功能是（）选择一项：a. 执行语言翻译b. 向计算机各部件提供控制信号恭喜您回答正确！c. 支持汇编程序d. 完成数据运算反馈Your answer is correct.正确答案是：向计算机各部件提供控制信号题目2正确获得20.00分中的20.00分标记题目题干硬连线控制器是由以下部件组成（）选择一项：a. 程计数器PC、指令寄存器IR、控制信号产生部件，步骤标记b. 程序计数器PC、指令寄存器IR、控制信号产生部件，节拍发生器恭喜您回答正确！c. 指令寄存器IR、控制信号产生部件，节拍发生器d. 程序计数器PC、指令寄存器IR、控制信号产生部件反馈Your answer is correct.正确答案是：程序计数器PC、指令寄存器IR、控制信号产生部件，节拍发生器题目3正确获得20.00分中的20.00分标记题目题干微程序控制器中，机器指令与微指令的关系是（）选择一项：a. 每一条机器指令由一条微指令来执行b. 一段机器指令组成的程序可由一条微指令来执行c. 一条微指令由若干条机器指令组成d. 每一条机器指令由一段用微指令编成的微程序来解释执行恭喜您回答正确！反馈Your answer is correct.正确答案是：每一条机器指令由一段用微指令编成的微程序来解释执行题目4正确获得20.00分中的20.00分标记题目题干微指令执行的顺序控制问题，实际上是如何确定下一条微指令的地址问题。
通常采用的一种方法是断定方式，其基本思想是（）。
选择一项：a. 用程序计数器PC来产生后继微指令地址b. 用微程序计数器uPC来产生后继微指令地址c. 通过微指令顺序控制字段由设计者指定或者由设计者指定的判别字段控制产生后继微指令地址恭喜您回答正确！d. 通过指令中指定一个专门字段来控制产生后继微指令地址反馈Your answer is correct.正确答案是：通过微指令顺序控制字段由设计者指定或者由设计者指定的判别字段控制产生后继微指令地址题目5正确获得20.00分中的20.00分标记题目题干利用时间重叠途径实现并行处理的是（）选择一项：a. 并行处理机b. 流水线处理机恭喜您回答正确！c. 相联处理机d. 多处理机反馈Your answer is correct.正确答案是：流水线处理机。
第5章标量处理机(5.7) 超标量超流水处理机
计算机科学与技术
超标量处理机的结构
超标量处理机至少具有两套或者两条以上完整的 指令执行部件。 高性能的超标量处理机通常还设置一个先行指令 窗口： 能够从指令Cache中预取多条指令 能够对窗口内的指令进行数据相关性分析和功 能部件冲突的检测 窗口的大小：一般为2至8条指令
yangruioot@
计算机科学与技术
实际指令级并行度与理论指令级并行度的关系
当横坐标给出的理论指令级并行度比较低时，处 理机的实际指令级并行度的提高比较快。 当理论指令级并行度进一步增加时，处理机实际 指令级并行度提高的速度越来越慢。 在实际设计超标量、超流水线、超标量超流水线 处理机的指令级并行度时要适当，否则，有可能 造成花费了大量的硬件，但实际上处理机所能达 到的指令级并行度并不高。 目前，一般认为，m 和 n 都不要超过4。
多条无数据相关和控制相关的指令在单发射处理机中 的时空图如图
度为1
部件 写结果 执行 译码 取指 0 1 1 1 2 2 1 2 3 3 1 2 3 4 4 2 3 4 5 5 3 4 5 6 6 4 5 6 7 7 5 6 7 8 8 6 7 8 9 9 7 8 9 10 10 8 9 10 11 11 9 10 11 12 12 13 14 15 10 11 12 11 12 12
写结果
图 5 44 超 标 量 超 流 水 线 时 空 图
在一台指令并行度为（m， n）的超标量超流水线处理机 上，连续执行没有相关的N条 指令的所需要的时间为：
T ( m, n ) ( k N m ) t nm
执行 译码 取指
超标量超流水线处理机相对 于单流水线普通标量处理机的 加速比为：
第05章-流水线课后习题
第5章课后习题1．填空题(1) 衡量流水线性能的主要指标有(2) 指令乱序流动可能造成(3) 解决数据相关主要有(4) 超标量处理机开发的是行性。
(1). 吞吐率、加速比、效率(2). 先写后读、先读后写、写写(3). 推后分析、设置专用路径(4). 空间、时间2．假设一条指令的执行过程分为"取指令"、"分析"和"执行"三段，每一段的时间分别为△t、2△t和3△t。
在下列各种情况下，分别写出连续执行n条指令所需要的时间表达式。
(1) 顺序执行方式。
(2) 仅"取指令"和"执行"重叠。
(3) "取指令"、"分析"和"执行"重叠。
第2题(1) 顺序执行时每条指令用时=△t+2△t+3△t=6△t，因此n条指令所需要的时间=6n*△t(2) 第一条指令完成需要时间=△t+2△t+3△t=6△t，根据题义，下一条指令的"取指令"与上一条指令"执行"的最后一个△t重叠。
因此，自从第一条指令完成后，每隔4△t完成一条指令。
所以余下的n-1条指令用时(n-1)*4△t.所以，n条指令所需要的时间=6△t+(n-1)*4△t=2(2n+1)△t。
(3) 第一条指令完成需要时间=△t+2△t+3△t=6△t，由于一条指令的"取指令"和"分析"阶段和下一条指令的"执行"阶段重叠，因此，此后每3△t 完成一条指令，余下的n-1条指令用时(n-1)*3△t.因此n条指令所需要的时间=6△t+(n-1)*3△t=3(n+1)△t3．用一条5个功能段的浮点加法器流水线计算F＝。
每个功能段的延迟时间均相等，流水线的输出端与输入端之间有直接数据通路，而且设置有足够的缓冲寄存器。
2016年深圳大学大学计算机基础mooc第5章答案
1、
流水线处理机的设计体现了并行系统开发的 途径？
A：时间重叠
B：资源重复
C：资源共享
D：时间共享
您的回答：
A
参考答案：
A
答案解释：
2、
powerpoint属于 软件？
A：多媒体系统软件
B：多媒体驱动程序
C：多媒体支持软件
D：多媒体素材制作工具软件
您的回答：
C
参考答案：
C
答案解释：
3、
以下存储器中，速度最快的是 ？
A：寄存器
B：高速缓冲存储器
C：内存
D：硬盘
您的回答：
A
参考答案：
A
答案解释：
4、
以下IP地址中，不正确的是 ？
A：127.0.0.1
B：192.168.109.102
C：253.253.253.253
D：256.0.255.1
您的回答：
D
参考答案：
D
答案解释：
满分：14分
得分：14分
5、
cpu包含 部件？
A：运算器
B：控制器
C：运算器和控制器
D：运算器、控制器和寄存器
您的回答：
D
参考答案：
Dห้องสมุดไป่ตู้
答案解释：
6、
通过IE浏览网页时，需要用到的协议是 ？
A：pop3
B：smtp
C：http
D：html
您的回答：
C
参考答案：
C
答案解释：
满分：14分
得分：14分
7、
以下网络传输介质中，最便宜，且施工方便的是 ？
A：双绞线
计算机组成原理第6版(白中英)第5章中央处理器
5.2.1 指令周期的基本概念
也叫节拍脉冲或T周期，是计算机处理操作的基本时间单位。 在一个CPU周期内，要完成若干个微操作。这些微操作有的 可以同时执行，有的需要按先后次序串行执行。因而需要把 一个CPU周期分为若干个相等的时间段，每一个时间段称为 一个节拍脉冲或T周期。 时钟周期通常定义为机器主频的倒数。
10
5.2.1 指令周期的基本概念
CPU执行程序是一个“取指令—执行指令”的循环过程。
CPU从内存中取出一条指令，并执行这条指令的时间总和； 指令周期常用若干个CPU周期来表示。 又称机器周期，一般为从内存读取一条指令字的最短时间； 一个CPU周期可以完成CPU的一个基本操作。 一个CPU周期包含若干时钟周期。
3
3
5.1.2 CPU的基本组成
现代的CPU的组成
冯·诺依曼机的定义
• 运算器、控制器 、片内Cache；
控制器的主要功能
• 从内存中取出一条指令，并指出下条指令的存放位置；PC、IR
• 对指令进行译码，产生相应的操作控制信号；
ID、时序电路、操 作控制器
• 控制CPU、内存和输入/输出设备之间数据流动；
12
5.2.1 指令周期的基本概念
定长CPU周期的指令示意图：
单周期CPU：在一个时钟周期内完成从指令取出到得到结果的工作，
以最长指令为准，效率低，目前较少采用。
多周期CPU：将指令的执行分成多个阶段，每个阶段在一个时钟周期
内完成，因而时钟周期段，不同指令所用的周期数不同。以下仅讨论多周 期CPU。
求操作数 有效地址
14
5.2.1 指令周期的基本概念 一个简单的程序
地址 指令
说明
100
第5章-计算机系统结构(第五版)李学干
第5章 标量处理机
图 5 - 11 B一次相关与二次相关
第5章 标量处理机
由图5 - 11可见，B二次相关时，只需推后“分析k+2”的 始点到“执行k”送入通用寄存器的运算结果能在“分析k+2” 开始时出现于通用寄存器输出总线上即可，如图5 - 12(a)所 示。至于推后多少拍，这取决于通用寄存器组译码、读
如图5 - 20(b)所示。即使流水线每隔Δt0流入一条指令，也会
因来不及处理被堆积于2段，致使流水线仍只能每隔 3Δt0才流出一条指令。
第5章 标量处理机
图 5 - 20 最大吞吐率取决于瓶颈段的时间
第5章 标量处理机
消除瓶颈的一种办法是将瓶颈子过程再细分。例如将2
段再细分成21、22、23三个子段，如图5-21(a)所示。让各子
同，如图5 - 23所示那样，则在T时间里，流水线各段的效率
都相同，均为η0，即
nΔt0 n 1 2 m 0 T m (n 1)
第5章 标量处理机
整个流水线的效率
1 2 m
m
m0 mnΔt0 0 m mT
式中，分母mT是时空图中m个段和流水总时间T所围成
第5章 标量处理机
图 5 - 3 一次重叠工作方式
第5章 标量处理机
(2) 要解决“分析”与“执行”操作的并行。 (3) 要解决“分析”与“执行”操作控制上的同步。 (4) 要解决指令间各种相关的处理。 图5 - 4示意出条件转移时第k条指令和第k+1条指令的时
间关系。
第5章 标量处理机
图 5 - 4 第k条指令和第k+1条指令的时间关系
由于运算结果是在“执行”周期的末尾才送入通用寄存
白中英计算机组成原理第5章_中央处理机资料
2020年6月1日星期一
11
数据通路的建立
写入 读出 运算 类型
写入 读出Байду номын сангаас
写入 读出
锁存
锁存
2020年6月1日星期一
写入 读出
增量 写入 读出
写入 读出
12
5.2 指令周期
5.2.1 指令周期的基本概念 5.2.2 MOV R0 , R1指令的指令周期 5.2.3 LAD R1 , 6指令的指令周期 5.2.4 ADD R1 , R2指令的指令周期 5.2.5 STO R2 , (R3)指令的指令周期 5.2.6 JMP 101指令的指令周期 5.2.7 用方框图语言表示指令周期
2. 通用寄存器 功能：暂时存放ALU运算的数据或结果。 CPU中的通用寄存器可多达16个，32个，甚至更多。
2020年6月1日星期一
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5.1.3 CPU中的主要寄存器（2/3）
3.状态条件寄存器（PSW） 保存各种状态和条件控制信号；
进位标志(C)，溢出标志(V)，零标 志(Z)，符号标志(N)
控制程序的执行顺序；
操作控制 对指令操作码译码后产生控制信号 产生和发送各操作信号；
时间控制 维持各类操作的时序关系
控制指令、或操作的实施时间；
数据加工 由ALU完成具体的运算 对数据进行算术逻辑运算；
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5.1.2 CPU的基本组成
现代的CPU的组成
冯·诺依曼机的定义
始终存放下一条指令的地址，对应于指令Cache的访问；
其内容变化分两种情况
顺序执行： PC+1PC 转移执行： (指令OPR)PC
6.指令寄存器（IR）
计数功能 寄存功能