处理器篇——流水线（1）

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流水线处理概述
一、CPU主要工作方式:
顺序
/ m9 m& B: Y0 ~重叠
3 j  P; `, O6 u4 u( ?流水
和铺地板的原理相似…
设指令工作方式分成取指令、分析、执行指令
5 x) ?$ E; W3 L( l/ A& H

/ V; H! j! T+ C0 q5 n3 n

9 D2 M2 Q9 b& y6 v: H若各阶段执行时间相等，则共需3n t
优点：控制简单；
缺点：速度慢，机器各部件的利用率很低。
重叠（Overlap）：在两条相近指令的解释过程中，某些不同解释阶段在时间上存在重叠部分。
. k$ C6 X6 G1 m7 |; e1 v包括一次重叠、先行控制技术和多操作部件并行。
将相邻两条指令的重叠时间再往前提前一个阶段；T=3×t+（n-1）×t=（n+2）×t
3 O0 p4 Y- M9 m' p8 U. a9 g一次重叠：把取指令操作隐含在分析、执行指令过程中，则在任何时候只允许上条指令“执行”与下条指令“分析”相重叠。             T=（n+1）×t
若各段时间不等时，有实际执行时间：
9 q" f+ {1 v8 {; m; W. r- b& \( U# y


/ g5 s( x+ ^! Z: O
( R9 O8 y( t  T3 E6 e先行控制：分析部件和执行部件能分别连续不断地分析和执行指令，预取和缓冲相结合的技术 ，通过对指令流和数据流的先行控制，使指令分析器和执行部件能尽量连续并行工作。
  R0 Q# L' p* ~6 }# E& w( m# d9 q执行时间：
% p5 t  O2 H4 z$ {( x7 \8 ]- G+ h$ V  |
多操作部件并行：采用有多个功能部件的处理机，把ALU的多种功能分散到几个具有专门功能的部件中，这些功能部件可以并行工作，使指令流出速度大大提高。

9 P2 Y) v; J& I
6 S4 `5 R% U2 r! e( i: Z/ p  I7 ^2 C先行控制：现代计算机指令系统是复杂的，“分析”和“执行”所需要的时间往往相差很大，从而造成功能部件的浪费，因此，需要采用先行控制技术。
# h, U4 U. X# w5 n
- K' z, B8 r; P2 a- B1 v3 X
- z( n2 z% y0 G& y3 u: E1 _分析指令和执行指令时间不等时的一次重叠方式

2 F$ V; ~, t" o( h' Z
, L5 w: {: f$ e" N/ b采用先行缓冲栈是指令执行过程的一种表示方法
  P' X+ G- X8 P( G8 z% t7 h. C先行控制：
一般采用先行缓冲栈的方式实现：
一般设置四种缓冲栈：
" ?. \3 p9 ?8 Q4 W# h% r先行指令缓冲栈
        当主存比较忙时，指令分析器能够从先行指令缓冲栈中得到所需指令。
先行操作栈
* a+ \% _  m# {' {& s        对于条件转移等使用。
先行读书栈
9 T; u. t3 O) h' j/ y8 w! S        主存储器和运算器之间的缓冲存储器，用来平缓运算器和主存储器之间的工作。
后行写数栈
     当前没有完全写道主存的数据可以暂存到写数栈
1 q  U  j: l/ F5 U3 j先行控制的处理机结构：
8 {  B; _# g& S# V) C! x   
/ f0 G! x3 s) k1 y0 {

' l2 ?& z7 o! B& g' h先行控制中的缓冲深度设计：
通过一种极端情况计算举例：
3 r8 n8 f8 H' h" a2 `6 q假设先行指令缓冲栈已经完全充满，缓冲深度是D1。
此时指令缓冲栈输出端，指令流出速度最快，而输入端，流入最慢
假设指令序列的最大长度是L1，平均分析一条指令的时间是t1
, l- {4 ?! H# g/ ]而此时更坏的是取指令很慢，平均取一条指令的时间是t2
# d+ f  A2 Y) \6 h( F3 j7 r0 \$ Q假设先行控制栈充满到被取空的过程中指令分析条数是L1
# r9 L) M; J6 ?8 o" [/ y' \# `! W) S$ n则此时有：                   L1t1 = (L1-D1)t2