全国计算机等级考试四级复习纲要七[4]

(3)超流水线和超标量技术这是RISC为进一步提高流水线速度而采用的新技术。

(4)硬连线逻辑和微程序的结合。在微程序技术中，微指令的格式可分为三类:水平、垂直和混合。水平微指令可以同时控制多种信息的并行传输，具有执行速度快、效率高、灵活性强、微程序短等优点。垂直微指令类似于机器码指令，规则直观，容易掌握，但效率低，速度慢。混合型介于两者之间。目前RISC芯片大多采用的微程序都是高度水平的微指令，或者由纳米微程序来实现，以减少或消除微指令的解码时间，直接控制路径操作来加快微指令的流动和解释。

(5)指令的流程处理

1.装配线的基本概念

(1)指令控制模式指令控制模式有三种:顺序模式、重叠模式和流水线模式。顺序是指所有机器指令按顺序执行，执行完一条指令取下一条指令，每条机器指令内部的微操作也按顺序执行。这种方法具有控制简单的优点。缺点是速度上不去，机器各部分利用率低。重叠意味着指令K+1的解释可以在指令K的解释完成之前开始。通常采用一次重叠，即在任意时刻，指令分析单元和指令执行单元只重叠解释相邻的两条指令。这种方法的好处是速度提高了，控制也不会太复杂。缺点是会有冲突，移位，相关问题等。，必须在设计中解决。流程模式是一种模仿工业生产过程的装配线(如汽车装配线)的指令控制模式。流水线技术是将并行性或并发性嵌入计算机系统的一种形式。它是一种将重复的顺序处理过程分解成若干子过程的技术，每个子过程可以在一个专用的独立模块上有效地并发工作。概念上，“流水”可以看作是“重叠”的延伸。唯一不同的是，“一个重叠”只是把一个指令解释分解成两个子过程，而“流水线”分解成更多的子过程。为了描述流水线的工作情况，我们绘制了时间空图，这是分析和评价流水线性能的重要工具。资料来源:www.examda.com

(2)装配线的类型

①从流水的层次来说，可以分为组件级、处理器级、系统级流水。

②从流水的功能来说，可以分为单功能流水线和多功能流水线。

③从流水的连接来看，可分为静态流水线和动态流水线。这是用于多功能装配线的。

④根据管道中是否存在反馈回路，可分为线性管道和非线性管道。

⑤从流水的顺序来看，可分为同步管道和异步管道。

⑥从管道的数据表示上，可以分为标量管道和矢量管道。

(3)流水的相关处理

①局部相关处理由于流水线机器同时解释多条指令，这些指令可能需要同一个主存单元或同一个寄存器“先写后读”。这时候就发生了关联，关联包括指令关联、操作数关联和通用寄存器组关联等。它只影响两个或两个以上相关指令，最多影响流水线的某些段推迟工作，不改变指令缓冲区中预取的指令内容。影响是局部的，所以叫局部相关。解决局部相关性的方法有两种:一种是推迟相关单元的读取，直到写入完成。另一种方法是访问法，即设置相关的专用访问，这样就不需要先将运算结果写入相关的存储单元，然后从这里读取，才可以使用。而是可以通过相关的专用访问直接使用运算结果，这样可以加快速度。

②分支指令(尤其是条件分支指令)与其后面的指令之间存在关联，无法同时解释。在执行分支指令时，指令缓冲区中取出的指令内容可能会发生变化，这将导致流水线吞吐量和效率的下降，这比局部相关性的影响要严重得多，因此称为全局相关性。解决全局相关性的方法有三种:一是猜测分支；一种是加快速度，提前形成条件码；另一个是加快短周期程序的处理。条件分支指令有两个分支:一个分支继续按原顺序执行，称为不成功分支。另一个分支按照转移后新的指令顺序执行，称为成功分支。很多管道机猜测不成功的分支。这样做的时候，猜测的概率很高，管道的吞吐量和效率会比不猜测的时候高很多。除了猜测方法之外，可以尽早获得条件代码，以简化流水线条件分支的处理。这意味着你可以准确地预测到哪一个分支。其实完全可以提前形成条件码。比如一个乘法需要很长时间，但是在运算之前，你可以知道结果是正还是负，或者是零。因此，加快单个指令内条件码的形成或在程序内提前形成条件码，对转移问题的顺利解决是非常有利的。由于循环结构在程序中被广泛使用，所以大多数流水线都采用了特殊的措施来加快循环程序的处理速度。比如将整个循环程序放入指令缓冲存储器，对提高流水线效率和吞吐量有明显的作用。(3)流水中断的中断处理和转移一样，也会导致管道被切断。幸运的是，中断的概率比条件转移低得多。所以只要处理好断点的就地保护和中断后的恢复，就可以尽可能缩短中断时间。

2.管道技术在2。精简指令集计算

RISC中使用的流水线技术有三种:超级流水线、超标量和超长指令字。

(1)超级流水线技术超级流水线技术是RISC采用的并行处理技术。通过细化流水线，增加级数，提高主频，可以在每个机器周期内完成一次甚至两次浮点运算。其本质是用时间换取空。超流水机的特点是所有功能单元都使用流水，时钟频率更高，流水深度更深。因为只限于指令级并行，所以超流水线机器的CPI值略高。CPI表示每条指令的时钟周期数。但是它在高时钟频率上的优势大于它在CPI上的劣势。

(2)超标量技术是RISC采用的另一种并行处理技术。它通过安装多个管道同时执行多个进程。虽然它的时钟频率接近一般流水线的时钟频率，但它的CPI较小。它的本质是用空交换时间。许多研究者提出了“多重指令发布”技术。阿格瓦拉和科克将这种方法作为RISC思想的延伸，并创造了Supersalar一词。超标量结构变得越来越复杂。除了指令数量的增加，指令的处理顺序也需要在执行程序时由硬件动态控制。硬件的复杂度也会随着时钟频率的增加而增加。资料来源:www.examda.com

(3)超长指令字技术(very long instruction word)简称VILW技术，由LIW发展而来。超长指令字和超标量是20世纪80年代出现的概念。它们的共同点是同时执行多条指令。不同的是，超标量是依靠硬件来实现并行处理的调度，而VILW充分发挥了软件的作用，简化了硬件，提高了性能。比如同时分发四条指令很难，但是VLIW同时分发八条指令的产品指日可待。所以VLIW的CPI值更小，但也需要足够高的时钟频率。为了使每个功能单元保持忙碌，被调度的指令必须在直线代码序列中有足够的工作。这是通过使用跟踪调度技术、非滚动循环和跨基本块调度代码来实现的。总之，使用VLIW可以提高指令处理的并行性，降低CPI，简化控制硬件，设置更多的运算单元，扩大缓存容量，同时还可以提高与内存的数据传输速度，从而采用更高的时钟频率，在超标量潜力耗尽的情况下，将微处理器的性能进一步提高2到5倍以上。