23.第23节课第五章CPU的结构和功能

罗泽兵 · 发表于 2024-4-15 09:11:21

好，我们接着往下看一下，我们第五章当中第五节的内容指令的流水，首先我们需要了解一下指令流水的基本概念。在了解指令流水这个概念的时候，我们要知道它的核心思想是什么？嗯，计算机的流水处理过程和我们通常嗯，我们我们工厂当中流水装备线是类似的。啊，我们之所以称为流水，和我们工厂当中的流水装备线是相类似的。计算机流水是把一个计算机过程分为分解为若干个子过程，每个子过程与其他的子过程并行去执行。啊，

只需要增加少量的硬件，就能将计算机运算速度提升好几倍啊，是一种普遍使用的并行处理技术。那指令的流水方式有很多种啊，它指的是什么？什么是流水方式呢？他指的是多条指令，在CPU当中执行的方式。有三种没有顺序执行方式，一次重叠方式，二次重叠方式啊，指定如果有四个阶段，则可分为。三次重重叠方式，如果有五个阶段，

这个分为四次执行重叠，四次重叠执行方式等等。直到嗯，跟跟下去，这样类似下去就是直面流水的方式，那我们来看一下。指令流水方式的特点是什么呢？他的特点第一个特点是每个任务啊，是指令或者操作啊，哪个指令或者操作？分解为，有联系的子任务，每个子任务有一个专门的功能部件来执行。它依靠多个功能部件进行工作，来缩短程序的执行时间。

第二点是每个功能部件后面都有一个缓冲寄存器。啊，也称之为锁程序。保存我们本流水段的一个执行结果，供下一流水段来使用好我们每个功能都在后面。放一个缓冲寄存器啊，来存放我们等流水阶段执行的一个结果，这个结果呢？我们来。嗯，提供给下一阶段的流水去使用它流水线中各个功能阶段的时间尽量是相等的。不然的话，它就会引起一些堵塞，或者是断流。只有连续不断的提供同一种任务时，

才能发挥流水线的一个效率。所以流水线中处理的必须是连续的任务啊，连续不断的去提供一些任务，同一任务，而且是。通过要通过软硬件多方面的配合，为流水提供明确的相关任务流水线。需要装入时间啊，装入时间是指的我们第一个任务进入流水线，到输出流水线的一个时间和排空时间。台风时间指的是最后一个任务，进入流水线到减到到结果流水线。流水线的时间到输出结果，流水线的时间。这是流水线所需要的装用时间和排空时间。

这是我们流水线方式的一个特点，那我们来看一下嗯，看一下我们指令流水实现的方式及流水线的分类。首先我们看一下16流水实现方式啊，就是我们刚刚提到的顺序执行方式，一次重叠方式和二次重叠方式。我们顺序重叠方式指的是指令按顺序执行，串行执行的一个方式啊，他的控他的。特点是控制简单，成本低，速度慢，利用率低，指令一对应对应取指令一对应指令一。执行指令一，

然后紧接着再去取指令二，根据指令二，执行指令二，这是我们的顺序，执行是一个串行执行方式。第二种是我们的一次重叠方式啊，一次重叠方式我们看起来这张图，看这张图当中我们去嗯，把dk的指令执行阶段和第k+1条指令。取指令阶段同时进行，我们进他们重叠的部分是哪一条？是第一条指令当中的执行指令一和第二条指令当中的取指令二，进行一个重叠。这样的话，我们在整个执行的过程当中，

就会缩短执行的时间来提高我们的。利用率啊，但是我们的硬件代价就会相应的增加啊，控制就会复杂啊，当我们第一条指令执行完的时候，执行的时候，我们执行指令。和第二条指令的区指令进行重合。第二条指令的执行指令和第三条指令周期的执行指令啊，进行一个。重合就是我们的一次重叠方式执行，还有就是我们二次重叠方式执行。在上一条指令分析阶段同时进行，下一条指令的取值操作啊，这就是你们第一条指令中心内的。

取指令非一指令和执行指令，在非一指令阶段和我们第二条指令的取指令进行一个重合。处理机嗯，处理机同时有三条指令在进行执行，进一步缩短了我们的一个时间提升，但是复杂度就提升了。啊，复杂性学生了，所以我们指定流水的一个实现方式，然后实验方式当中的正确执行方式，依次方式，二次方式。啊，再就是我们流水线表示的方法，时空图法啊，

横坐标表示的是时间。纵坐标表示的是空间每条流水段啊，每条流水段。这是时间t0到tn+3次啊，然后这一条指令执行的区指令s1密码s2执行s3。所以结果还是四啊，这是我们的嗯，纵坐标是表示的一个空间，每一个流水段，每一个流水段是什么？这是我们指令流水的实现方式，表示方法当中的时空图法。嗯，我们知道了指令流水的实现方式，我们还需要了解指令流水的分类啊，

它有多种分类标准，有多种分类标准。根据使用级别来划分的话，我们可以划分为。处理机流水线啊，一条处理机流水线曾经是一条指令解释，过程分为多个子过程，是我们的处理机流水线。还有部件功能集啊，按部件功能集将复杂的算式逻辑运算组成流水线工作。比如说浮点加法嗯，变成。求解他这些尾数相加规划四个子过程，再有就是我们的处理机。嗯，

先级红芦水，每每处理每每处理期完成某一门儿专门的任务结果情况。在存储器共享给下一个处理器啊，处理器应急测试，然后流水线可完成按照可完成的功能进行划分，按照可完成的功能划分划分。单功能流水线和多功能流水线。单功能流水线指的是只实现一种固定的，专门功能的流水线。多功能流水线指的是通过各个阶段的不同连接方式，可以同时或者不同时实现多功能的流水线。这是按照使用级别和流水线完可完成的功能来进行划分的，除此之外，还可以按照同一时间内。各各段的连接方式进行划分啊，

我们可以划分为动态流水线和静态流水线。动态流水线指的是同一时间内某段正在实现某种运算，另一些时间内另一，另一。些。段可以进行另一些运算啊，这是我们动态的运算，静态流水线是同一时间内流水线，各个段只能按。同一种功能的联系方式进行工作。这个功能之间是否有反馈信号进行划分，我们可以分为线性流水线和非线性流水线。线性流水线，它没有反馈回路，每个功能只允许经过一次非线性流水线，

是存在反馈回路。某功能某些功能段将数次通过的有限，比如说我们递归运算啊，这是我们流水线的一个分类。嗯，我们讲完流水线的分类之后，然后我们还需要知道。影响流水线的因素和流水线的性能指标有哪些？影响流水线的因素是什么呢？就是比如说某些相关情况下，导致下一条指令无法在设计的时间周期内进行完成啊，那这样的话，它就会影响我们流水线。还有以下几个方面的因素，第一个是结构相关。

结果相关也称为资源冲突。他指的是多少指令？在同一时刻征用同一资源而形成的冲突，比如说停顿啊。前一指令访问时，使后一条相关指令暂停一个时间周期。我们这个时间段有一条指令访问它，那么我们使下一条指令。是后一条指令暂停一个时间周期，再进行访问。在你所说的这个停顿。指令存储器与数据存储器分开啊，也是我们的结构相关的冲突，两项操作在不同的存储器进行啊，两项操作在不同的存储器。

还有取指定的预取啊，是用保存周期短的指令，还是用于保存周期短的指令？数据相关也称之为数据冲突啊，数据相关是数据冲突，指的是存在必须等待前一条指令。执行完才能执行后，一条指令的情况。我们可以用后推法。比如说硬件紫色嗯和软件插入诺口存有两种方式，相关指令暂停。一到多个时空周期。或者是数据长度系数。设置相关专用通道，直接把前一条指令alu计算结果作为自己的输入。

还有就是编译优化，通过编译器对数据相关的指令进行编译优化来调整指令的顺序。顺序来解决冲突，这是我们影响流水线的因素。当中的结构相关和数据相关，也就是说我们的资源冲突和数据冲突。除了这两种冲突之外，还有一种是我们的控制相关。控制相关，它指的是流水线遇到转移指令和其他改变PC值的指令而造成的一个断流。啊，有分支预测啊，还有我们的预取两个值啊，这两种啊。分支预测指的是对转移指令进行分支预测，

尽早生成转移目标地区。分为简单静态和动态预测。简单静态预测和动态预测。静态预测是总是预测条件不满足。而继续执行，执行的后续值。动态预测是根据执行的历史情况进行动态调整，有较高的预测准确率。预取两个指令，然后预取转移成功和不成功两项控制方向的指令目标指令。他可以加快提前形成条件码，提高转移方向和猜测率。拆比例提高转移方向的拆比例。这个我们影响流水线因素当中的控制相关，也就是控制冲突的内容因素，

那我们来具体的看一下。结构相关啊，不同指令登入同一功能部件采用的资源分布。这是我们的结构相关啊，指令一就指令四啊，指令一二三四五六七八九，这是这是我们执行的这个周期。啊t是一个周期，在这个执行周期当中，指令一和指令四啊是一个冲突的啊，指令一和指令四冲突。指令一，指令三，指令六是充值指令一，指令三，

指令六，它是能充值指令二，与指令五同步等等。他是在不同指令登录同一功能部件，同一功能部件产生的一个冲突。我们的解决办法刚才讲到过，行政法啊，等到我们这个周期，这个时间停顿一个周期，使下一条指令停顿一个周期，等我们这个指令。执行完之后再进行。嗯嗯。或者是进行指令存储和数据存储器进行分开，将指令存储器和数据存储器进行分开。

再就是指令进行预取技术适用于访问周期短的情况下，访问周期如果长的话，就不适用于了。这是我们的解决办法，再有一个就是数据相关，也就是我们的数据重复是不同指令应重叠操作。可改变操作数啊的读写访问顺序。啊，由我们写后相关法，读后相关法和写写后写相关法。有写后读相关法，有我们的写后读相关法，读后写相关法，写后写相关法。我们只有办法用后推法后推法。

采用旁路技术。第三个是控制相关。有转移指令引起的啊，有转移指令引起的，比如说我们的啊，在这个执行指令的过程当中啊。dn 1指令必须等啊，必须等我们的cpx指令的结果才能判断出是转移还是顺序的执行啊，才能判断出转移。必须等到我们这个指令的结果，才能判断它是转移还是执行，这是我们由转移指令引起的控制相关来冲突，控制相关。设指令三是转移指令，我们设指令三是转移指令一。

在这个过程当中，设指令三是转移指令，那我们就指令15在执行这个过程当中会产生转移的损失。就是控制相关，那我们讲第二个测试题就是流水线的性能啊，流水线的性能有它的吞吐率。啊，参储率是什么呢？是指我们单位时间内流水线所完成的指令，或者是输出结果的一个数量。我们可以设m段的流水线。各时机各段的时间为德尔塔t，那么我们的最大冲突率就是我们的第一笔。n+t实际存储率是连续处理n条直线的，存储率为。

tp啊，是我们的n。连续处理n条直线n÷m乘以，大家可以加上n- 1乘以这个t，这是我们的实际存储率。这是我们吞吐率啊，流水线性能当中的吞吐率，单位时间内流水线所完成的指令或输出结果的一个数量。使得我们吞吞吐吐。除了分数率之外，还有我们的加速比例，加速比指的是m段流水线的速度与等功能的非流水线的速度。第一车流水线的各个时间段及浏览器。那么，完成。

完成n条指令，在m段流水线供需t=m层加压器加上n- 1的压器。完成n条指令，在等效。叫非流动性的供需。n撇等于m×n乘以德尔塔t，那么我们的加速题ft就等于。完成n条指令，在等效的非流水线上的时间啊，除以我们完成n条指令，在m条流水线上。供需的时间。就等于m×n比上m+n- 1，这是我们的加速比加速比。除了加速度之外，

我们还需要它的效率。流水线中各个功能段的利用率啊，是我们的效率。由于流水线有建立时间和排空时间。因此，各个功能段设备不可能一直处于一个工作状，工作状态也就是说，你看我们的一个时间轴在t。和s一个空间来执行这些指令的时间，流水线有建立的时间，还有排空的时间。它的效率就等于流水线各个。啊，各段处于工作时间的时空啊。空区除以流水线，

它的效率流水线的效率等于流水线各段处于工作时间的时空区。除以流水线中各段。总的施工区啊，总的施工区就等于我们m×n×delta t，然后。除以m括弧m+n- 1=t，这是我们的一个效率。我们知道了它的性能指标之外，还有影响它的因素之外，我们还需要知道超标量和动态流水线的一些相关的基本概念。我们这一节当中讲到的是超标量和动态流水线的技术概念，什么是超标量技术？超标量指的是每个使用周期内可以并发多条独立的。指令配置多个功能部件，我们看这张图当，

但是他不能调节指令的执行顺序。啊，这是我们使用中心，我们指令序列对我们进行了相关操作。搜索时间周期内，可并发多条独立的指令啊，配置多个功能部门，但是不能调整指令的执行顺序。啊，这是操作量系数。通过编译优化技术，把可变行的执行的指令搭配起来啊，我们可以通过编译优化技术，把可变行的指令。的指令进行搭配嗯，

操作的图片，第二个是超流水线技术，超流水线技术指的是在一个时空周期内再分段啊。啊，你说第三个。在一个时空周期内，一个功能部件使用多次，比如说我们可以使用三次啊，我们可以使用三次。在一个功能阶段，我们使用三次不能调整指令的，但是他不能调整指令的执行顺序。靠编译程序来解决优化问题，只能靠编译程序来解决优化问题。比如说你现在速度是原来的3倍，

我们。在一个时间之内，一个功能部件使用多次使用了三次，这个功能部件我们在这个周期内使用了三次。那这样的话，就是现在速度就是原来的一个三倍。还有就是超长指令的技术。超长指令技术指的是由编译程序挖掘出指令潜在的并行性，将多条能并行操作的指令。组合成一组具有多个操作字段，操作超长字令，那个指令字可以达到几百位。就是指定序列是时钟周期，我们采用多个处理部件啊，采用多个处理部件，

将多条并。能并行的操作和指令组成一条就多个操作码的字段，属于超长指令字。那还有就是我们所说的动态流水和就是静态流水线，动态流水线指的是同一时间内某段正在实现某种运算啊，另一时间内可以进行内部运算啊，就是。可以进行运维运算以及。静态流水是同一时间内流水段，只能按照同一种功能的连接方式进行实现啊，只能按照同一个功能来。进行实现，其实我们现在流水线的图就是我们动态流水线的图，好以上就是我们本章当中总结当中介绍的内容。那么，

介绍完本节内容呢？我们这一章的内容就介绍完了，我们来集体回顾一下CPU，等于就是我们第五章内容的主要内容。首先，我们对CPU的功能和基本结构进行讲解啊，它包括了两块儿CPU，有哪些功能？CPU的基本结构是什么？第二小节当中，我们介绍了指令的执行过程啊，包括我们指令的周期，指令周期的数据流，还有我们指令的执行方案。在第三节当中，

我们介绍了数据通路的功能和基本结构，这两块知识点。第四小节当中，我们讲了控制器的功能和基本原理。主要的讲的是硬部件控制和微程序控制这两大块儿。在指定流水当中，也就是我们第五小节，第五小节当中，我们讲到了指定流水的基本概念，还有指定流水的基本实现。以及超标量和动态流水的基本概念，这就是我们CPU当中的主要知识点，也是我们考研过程当中需要考到的相关知识点。希望同学们课下的时间注意消化，总结一下好，

这就是本章当中的内容。

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