第四章流水线技术VIP专享VIP免费

第四章 流水线技术 计算机系统结构研究、分析的目的就是为了提高计算机性能，为此，我们采用了许多提高性能的设计思想和技术。流水线技术就是其中最重要的设计思想之一。流水线技术在现代的计算机系统结构中是最普遍的一种技术。 流水线技术的基本思想在冯·诺依曼（Von Neu mann）归纳的第一台存储程序计算机中已经提出。1946 年 Bu rks 等人提出的运算与输入／输出重叠操作是当今计算机中广泛使用的流水线技术的原始雏形。尽管冯·诺依曼没有在他设计的第一台计算机中实现输入／输出功能，但当磁芯存储器第一次出现，并作为主要存储介质后，流水线设计思想迅速发展。磁芯存储器速度要比寄存器和控制单元中的晶体管器件慢 10 倍以上。为解决主存与 CPU 执行速度之间的瓶颈问题，设计者们研究了很多种方法，使 CPU 执行指令的同时，进行一个或多个并发存储器访问。INTEL8086 的两级流水就是为了提高存储器及总线的使用效率而设计的。 60 年代，硬件的价格相对较高。流水线技术都用于巨型计算机。IBM 的STRETCH和CDC6600 是早期大量应用流水线技术的计算机，它们对后来的计算机系统结构设计有深刻的影响。随着半导体技术的发展，到 80 年代硬件价格大幅度下降，流水线技术在计算机设计中广泛应用，即使在微处理芯片中也是很基本的性能提高措施。INTEL80i86 系列的发展是很好的一个例子。这里要注意的是流水线技术在RISC 设计思想产生前已有广泛使用，只是在RISC 设计思想中流水线技术采用更广泛而已。 4 .1 流水线处理的基本原理 流水线的作用是提高硬件功能部件的使用率，减少指令的平均执行时间。 4 .1 .1 流水线的基本概念 4 .1 .1 .1 什么是流水线技术 流水线（pipelining）是指在程序执行时多条指令重叠进行操作的一种准并行处理实现技术。今天，流水线是制造高性能CPU 的关键技术。这种技术和并行处理有所区别，流水线是在顺序指令流计算机中实现处理时间重叠的技术，因此流水线的并行处理是指完成一条指令的各个部件在时间上是可以同时重叠工作。因此，各部件同时处理是针对不同指令而言的，各部件分别同时为多条指令的不同部分（step、stage）进行工作，以提高各部件的利用率来提高指令的平均执行速度。 计算机流水线概念就象工厂里的装配生产线，每一个工位完成一个部件的装配，前一个工位装配完，传送带将对象带到下一个工位装配，此过程重复进行直到所有工位都流过，产品就被装配完了。指令流...