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微處理器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與嵌入式系統(tǒng)設(shè)計電子科大微機原理第1頁第三章微處理器體系結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)3.1微處理器體系結(jié)構(gòu)及功效模塊介紹處理器主要功效處理器基本結(jié)構(gòu)一個簡化處理器模型結(jié)構(gòu)示例3.2處理器設(shè)計

指令系統(tǒng)數(shù)據(jù)通路控制流程時序部件控制邏輯3.3指令流水線技術(shù)3.4經(jīng)典微處理體系結(jié)構(gòu)介紹3.5先進(jìn)微處理器技術(shù)ARM、x86隨機邏輯、微程序(微碼)數(shù)據(jù)類型、指令功效、指令格式、尋址方式ALU、Reg、總線程序、指令、微操作時鐘周期、工作周期、指令周期特點、操作、局限、設(shè)計寬度、周期電子科大微機原理第2頁第三章習(xí)題作業(yè)：1~3、5、9、10、11、13~15思索：1.6、4、6~8、12、16電子科大微機原理第3頁補充題(選作）2、某計算機指令系統(tǒng)中，指令字長為12位，每個地址碼長3位，有三地址指令4條，單地址指令255條，零地址指令16條。（1）能否以擴(kuò)展操作碼為其編碼？說明其理由。（2）假如其中單地址指令為254條呢？說明其理由。1、有一條4個段線性流水線，各段執(zhí)行時間分別為50ns、50ns、100ns、200ns。（1）連續(xù)向流水線輸入6條指令，畫出指令執(zhí)行時-空圖，求該流水線實際吞吐率和效率。注意計算時需寫出步驟。（2）該流水線瓶頸在哪一個段？請采取兩種不一樣辦法消除此瓶頸，畫出兩種改進(jìn)方法后執(zhí)行6條指令時-空圖。電子科大微機原理第4頁流水線結(jié)構(gòu)與微碼結(jié)構(gòu)比較比較以下操作在微碼CPU和流水線CPU中執(zhí)行情況Mem(Reg1)+Mem(Reg2)→Reg3微碼機器（CISC）中只需要一條指令表示，而在流水線機器（RISC）里則需要3條指令；假設(shè)沒有存放器延遲，則流水線機器中這3條指令能夠在3個時鐘周期內(nèi)完成，而微碼機器則需要8個時鐘周期。在流水線機器中需要取存5次存放器，而微碼機器只需要3次。若存放器速度為系統(tǒng)瓶頸，則應(yīng)采取微碼CPU3次指令，2次數(shù)據(jù)1次指令，2次數(shù)據(jù)取指+譯碼執(zhí)行：取操作數(shù)×2，加法，存結(jié)果電子科大微機原理第5頁第三章結(jié)束電子科大微機原理第6頁中央處理單元

CentralProcessingUnit,CPU微處理器

MicroProcessingUnit,MPU微控制單元

MicroControlUnit,

MCU單片機計算機單片芯片控制器、運算器、存放器CPU、少許存放器及I/O接口CPU+存放器+總線/接口+外設(shè)幾個概念電子科大微機原理第7頁微處理器主要功效計算機系統(tǒng)設(shè)計師認(rèn)為：處理器是指一個能夠經(jīng)過多個步驟執(zhí)行計算任務(wù)數(shù)字設(shè)備。從本質(zhì)上講，處理器作用是協(xié)調(diào)和控制計算機各個部件，并執(zhí)行程序指令序列。處理器5個主要功效：①指令控制：控制指令按程序邏輯次序執(zhí)行。②操作控制：按照指令執(zhí)行過程及指令約定功效需求產(chǎn)生各種操作控制信號。③時序控制：能夠在適當(dāng)時間(時刻)使對應(yīng)操作控制信號有效，并保持所需時長。④數(shù)據(jù)加工：對數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)和邏輯運算處理。⑤中止處理：程序執(zhí)行過程中應(yīng)能夠及時處理出現(xiàn)I/O操作請求及異常情況。電子科大微機原理第8頁CPU最基本功效CPU作用是協(xié)調(diào)和控制計算機各個部件并執(zhí)行程序中指令序列，所以應(yīng)含有以下基本功效：①取指令：當(dāng)程序已在存放器中時，首先依據(jù)程序入口地址取出一條程序，為此要發(fā)出指令地址及控制信號。②分析指令：即指令譯碼，是指對當(dāng)前取得指令進(jìn)行分析，指出它要求什么操作，并產(chǎn)生對應(yīng)操作控制命令。③執(zhí)行指令：依據(jù)分析指令時產(chǎn)生“操作命令”形成對應(yīng)操作控制信號序列，經(jīng)過運算器、存放器及輸入/輸出設(shè)備執(zhí)行，實現(xiàn)每條指令功效，其中包含對運算結(jié)果處理以及下條指令地址形成。電子科大微機原理第9頁微處理器基本結(jié)構(gòu)馮·諾依曼機：5大部件存放程序串行單次序數(shù)據(jù)通路CPURTL描述：數(shù)據(jù)通路控制器電子科大微機原理第10頁數(shù)據(jù)通路:ALU＋Reg+內(nèi)部總線ALU：運算Reg組：暫存內(nèi)總線：傳輸簡單單總線(ALU總線)復(fù)雜多級總線(片上總線)電子科大微機原理第11頁控制器輸入輸出電子科大微機原理第12頁簡化處理器模型哈佛結(jié)構(gòu)電子科大微機原理第13頁CPU與內(nèi)存放器接口1.對外形成三總線形式；2.存放器MAR和MDR簡化了CPU與主存之間傳送通路，使其輕易控制;3.存放器MAR和MDR對用戶透明,即不能編程訪問；電子科大微機原理第14頁微處理器總體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)通道組成：ALU+存放器+內(nèi)部總線功效：基本二進(jìn)制算術(shù)、邏輯及移位運算；依據(jù)運算結(jié)果設(shè)置狀態(tài)標(biāo)志（進(jìn)/借位、溢出等）；特征：數(shù)據(jù)通路寬度：即字長，CPU單次傳送和處理數(shù)據(jù)能力。數(shù)據(jù)通路周期：ALU運算并將保留結(jié)果過程。控制單元（控制器）時序控制部件：指令周期、工作周期、時鐘周期(工作脈沖)指令譯碼邏輯：微程序（CISC）、硬連邏輯（RISC）、……電子科大微機原理第15頁指令集結(jié)構(gòu)(ISA)是體系結(jié)構(gòu)主要內(nèi)容之一，其功能設(shè)計實際就是確定軟硬件功效分配?？紤]原因速度、成本和靈活性實現(xiàn)方式硬件、軟件優(yōu)化策略RISC、CISC；流水線；多核；……實現(xiàn)內(nèi)容數(shù)據(jù)類型、指令功效、指令格式、尋址方式實現(xiàn)步驟依據(jù)應(yīng)用初擬出指令分類和詳細(xì)指令；編寫出針對該指令系統(tǒng)各種高級語言編譯程序；對各種算法程序進(jìn)行模擬測試，確認(rèn)指令系統(tǒng)操作碼和尋址方式效能是否都比較高；用硬件實現(xiàn)高頻使用指令，軟件實現(xiàn)低頻使用指令。指令系統(tǒng)設(shè)計電子科大微機原理第16頁指令集設(shè)計示例假設(shè)某機器字長是8位，支持常見簡單指令：指令是雙地址指令，源操作數(shù)采取2種尋址方式—存放器尋址(R0~R1)和馬上尋址；目標(biāo)操作數(shù)可采取2種尋址方式－存放器尋址和存放器直接。共有九條機器指令，請設(shè)計可行代碼方案。若采取定長編碼（8bit）方案，可定義指令格式以下：76543210=0000表示ADD=0001表示SUB=0010表示MOV=0011表示IN=0100表示OUT=0101表示RR……目操作數(shù)尋址方式：0—直接尋址 1—寄存器尋址目標(biāo)存放器編號源操作數(shù)尋址方式：0—馬上尋址

1—存放器尋址源存放器編號操作碼電子科大微機原理第17頁機器指令集電子科大微機原理第18頁機器指令符號表示法因為直接與機器指令二進(jìn)制表示法打交道很困難，于是普遍使用是機器指令符號表示法(symbolrepresentation)。操作碼可縮寫成助記符(mnemonic)來表示：

ADD 加 SUB 減 MUL 乘 DIV 除 LOAD 由存放器裝入 STOR 存入存放器19/86匯編語言電子科大微機原理第19頁數(shù)據(jù)類型確認(rèn)某種特殊類型數(shù)據(jù)是否應(yīng)該得到硬件支持?jǐn)?shù)值型數(shù)據(jù)：無符號整數(shù)、帶符號整數(shù)、浮點數(shù)非數(shù)值數(shù)據(jù)：字符串確認(rèn)字長（對數(shù)據(jù)長度限制）截斷（truncation）或溢出（overflow）在選擇數(shù)據(jù)格式和長度時需要平衡數(shù)值范圍、程序執(zhí)行期間發(fā)生溢出可能性、處理設(shè)備和存放設(shè)備復(fù)雜性、以及價格和速度等原因。電子科大微機原理第20頁指令類型指令按功效可分成以下三種基本類型：數(shù)據(jù)傳輸：將數(shù)據(jù)從一個地方（源地址）復(fù)制到另一個

地方（目標(biāo)地址），傳輸結(jié)束后源地址中內(nèi)容不變。

數(shù)據(jù)傳送范圍：R->R、R->M、M->R或M->M

數(shù)據(jù)傳送寬度：普通為固定值（如8、16或32bit），其

它寬度數(shù)據(jù)傳送普通可經(jīng)過軟件移位和合

并操作來實現(xiàn)。數(shù)據(jù)運算：包含算術(shù)運算（加、減、乘、除等）和邏輯

運算（與、或、非、異或等）。

該類指令需要明確操作數(shù)類型和長度?？刂祁悾河糜诟淖冋３绦驁?zhí)行流程，完成程序跳轉(zhuǎn)

，主要包含轉(zhuǎn)移指令和過程指令。I/O？電子科大微機原理第21頁機器指令要素操作碼(operationcode，opcode)：需要完成操作；源操作數(shù)(sourceoperandreference)：操作所需輸入；結(jié)果操作數(shù)(resultoperandreference)：操作產(chǎn)生結(jié)果；下一條指令(nextinstructionreference)：告訴CPU到哪里

取下一條指令。電子科大微機原理第22頁指令格式在計算機內(nèi)部，指令由一個位串來表示。相應(yīng)于指令各要素，這些位串劃分成幾個字段：操作碼字段：說明CPU應(yīng)進(jìn)行操作按操作類型分組：同類操作要求同樣或類似控制信號，所以編碼也類似（有盡可能多公共位）操作數(shù)字段/地址字段：說明源操作數(shù)和目操作數(shù)存放位置信息(R、M或I/O);說明源操作數(shù)和目操作數(shù)數(shù)據(jù)類型;下一條指令地址字段：如緊跟當(dāng)前指令，在主存或虛存中，則不需顯示引用；如可能產(chǎn)生跳轉(zhuǎn)，則需要顯示給出存儲地址；指令類型決定了CPU軟件功效特征尋址方式?jīng)Q定了CPU硬件功效特征電子科大微機原理第23頁操作碼字段常見指令字段分配操作碼位段分配擴(kuò)展操作碼電子科大微機原理第24頁操作數(shù)字段

二元操作(binaryoperation)是一個基本操作類型，這么指令通常包含三個操作數(shù)地址：兩個源操作數(shù)和一個目標(biāo)(結(jié)果)操作數(shù)。為了縮短指令長度，能夠采取以下方法：只有一個地址指定給存放器中操作數(shù)，而其余地址都指定給存放器，能夠在指令格式中明確地指定其存放器號。把一個、兩個或三個操作數(shù)地址在指令格式中變成隱含地址。隱含地址能夠指定給專用存放器，而這些存放器名字隱含在指令格式操作碼中。25/86機器指令結(jié)構(gòu)：M-M、M-R、R-R機器指令結(jié)構(gòu)：零地址、單地址、雙地址電子科大微機原理第25頁尋址方式操作數(shù)實際存放位置：尋址方式：1．在指令碼中指定操作數(shù)：馬上數(shù)尋址2．在存放器中指定操作數(shù)：存放器（直接）尋址3．在存放器中指定操作數(shù)：存放器直接尋址、存放器間接尋址4．在匯編程序中指定操作數(shù)：相對尋址5．操作數(shù)在I/O接口中：存放器尋址（存放器映像編址）或端口尋址（獨立編址）電子科大微機原理第26頁馬上數(shù)尋址

immediateaddressingmode電子科大微機原理第27頁存放器直接尋址方式

registerdirectaddressingmode指令地址字段給出存放器號（名），而被指定存放器內(nèi)容就是操作數(shù)。電子科大微機原理第28頁存放器直接尋址

memorydirectaddressingmode 指令地址字段直接給定一個馬上數(shù)作為存放單元地址。存放器直接尋址電子科大微機原理第29頁存放器間接尋址

memoryindirectaddressingmode(1)存放器間接尋址方式(2)存放器間接尋址方式(3)位移量尋址方式(4)變址尋址方式(5)百分比尺尋址方式用于加強編寫與位置無關(guān)匯編語言程序電子科大微機原理第30頁存放器間接尋址方式

registerindirectaddressingmode將存放器地址指定在存放器中，即讓存放器內(nèi)容指向一個可訪問到操作數(shù)存放器單元。電子科大微機原理第31頁存放器間接尋址方式

memoryindirectaddressingmode

多級間接尋址；通慣用于訪問存放器中“跳轉(zhuǎn)表”：跳轉(zhuǎn)表首址指定在存放器中，該表中每個表項指向一個可訪問到操作數(shù)存放器單元。跳轉(zhuǎn)表電子科大微機原理第32頁位移量尋址方式

displacementaddressingmode

通慣用于數(shù)組、矩陣類向量數(shù)據(jù)存取：馬上數(shù)指定數(shù)組首址，存放器值指定組內(nèi)偏移；電子科大微機原理第33頁指數(shù)尋址方式

indexedaddressingmode

通慣用于數(shù)組、矩陣類向量數(shù)據(jù)存取：存放器1值指定數(shù)組首址，存放器2指定組內(nèi)偏移；電子科大微機原理第34頁百分比尺尋址方式

scaledaddressingmode用字節(jié)表示操作數(shù)長度位移量尋址+指數(shù)尋址+自增/自減尋址電子科大微機原理第35頁PC相對尋址方式

ProgramCounter-relatedaddressingmode

主要用在轉(zhuǎn)移和跳轉(zhuǎn)指令，指定匯編語言程序碼內(nèi)部位置作為目標(biāo)地址偏移量操作數(shù)。指令：JUMP[abe]操作：PC←[abe]=(PC)updated+immSign_ext當(dāng)前指令取出后PC值出現(xiàn)在指令中電子科大微機原理第36頁基本數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)ALU實現(xiàn)：(1)由基本門電路實 現(xiàn)全加器；(2)由n位全加器組成 n位加法器；(3)以加法器為關(guān)鍵， 經(jīng)過擴(kuò)展輸入選 擇邏輯實現(xiàn)其它 基本算術(shù)和邏輯 運算；電子科大微機原理第37頁ALU功效描述示例算術(shù)邏輯運算功效移位運算功效電子科大微機原理第38頁數(shù)據(jù)通路中數(shù)據(jù)流定義IRIDREGALUMEM開始退出IRIDALUMEMREG微操作通道開始退出單通數(shù)據(jù)通道RISC：Load/Store結(jié)構(gòu)CISC：尋址方式復(fù)雜電子科大微機原理第39頁數(shù)據(jù)通路實現(xiàn)電子科大微機原理第40頁程序、指令、微操作電子科大微機原理第41頁時序控制部件時序控制部件：脈沖源+分頻邏輯；用以產(chǎn)生各種系統(tǒng)所需、滿足時序要求控制信號。指令周期

讀取并執(zhí)行一條指令所需時間工作周期

指令周期中不一樣工作階段時鐘周期系統(tǒng)中最小基本時間分段CPU中多級時序一個指令周期中多個工作周期電子科大微機原理第42頁當(dāng)代控制器設(shè)計趨勢:

采取非集中控制模式，I/O和M擁有各自控制器，從而變?yōu)樽灾鞴πР考?/p>

I/O和M采取異步控制。

按照微控制命令形成方式，控制器可分為隨機邏輯和微程序兩種基本類型?？刂破髟O(shè)計

控制器依據(jù)指令譯碼結(jié)果和當(dāng)前狀態(tài)決定在什么時間、依據(jù)什么條件、發(fā)出什么命令、做什么操作：生成時序控制信號生成指令執(zhí)行所需控制信號響應(yīng)各種中止或異常事件請求電子科大微機原理第43頁隨機邏輯CPU體系結(jié)構(gòu)隨機邏輯(硬連邏輯)體系結(jié)構(gòu)用布爾邏輯函數(shù)來表示控制單元輸入和輸出之間關(guān)系。時序部件指令預(yù)處理電子科大微機原理第44頁隨機邏輯CPU特點優(yōu)點：

可經(jīng)過簡化指令降低所使用門電路總數(shù)從而降低制造費用。缺點：指令集結(jié)構(gòu)與硬件邏輯方程之間存在著親密聯(lián)絡(luò)，設(shè)計過程復(fù)雜。重用性差，設(shè)計結(jié)果極少能再利用到以后新CPU設(shè)計中。適合用于較簡單指令集結(jié)構(gòu)。電子科大微機原理第45頁最小化邏輯門數(shù)目 優(yōu)化硬件邏輯、盡可能地少用觸發(fā)器優(yōu)化硬件時序邏輯門級數(shù)最小化；建立并行通路以滿足時序約束(增加邏輯)簡化指令集 邏輯簡單、存放器數(shù)量少隨機邏輯CPU設(shè)計關(guān)鍵點RISC最主要目標(biāo)電子科大微機原理第46頁隨機邏輯CPU設(shè)計步驟指令集結(jié)構(gòu)驅(qū)動硬件邏輯方程定義所需指令集結(jié)構(gòu)；依據(jù)指令集決定硬件邏輯及狀態(tài)機；硬件邏輯方程反饋到指令集結(jié)構(gòu)對指令集結(jié)構(gòu)做必要修改和優(yōu)化；最大程度地降低邏輯復(fù)雜度；電子科大微機原理第47頁隨機邏輯CPU操作1-取指令①程序計數(shù)器值經(jīng)MUX送到存放器；②存放器送回指令寫入指令存放器；③程序計數(shù)器加1后回寫；電子科大微機原理第48頁隨機邏輯CPU操作2-指令譯碼與執(zhí)行①存放器堆中某個地址存放器經(jīng)過MUX尋址存放器，獲

得ALU一個操作數(shù)；②另一個操作數(shù)來自于存放器堆中數(shù)據(jù)存放器；③ALU結(jié)果值被回寫入存放器堆。電子科大微機原理第49頁BalancingOperatorsa,b,c,d:4-bitvectorsout=a*b*c*dXabXcXdzXabout=(a*b)*(c*d)XcdXzUnbalancedBalanced4x48x412x416-bit4x44x48x816-bitDelaythrough3StagesofMultiplyDelaythrough2StagesofMultiply電子科大微機原理第50頁隨機邏輯CPU指令集設(shè)計考慮怎樣讓邏輯門能夠快速而方便地實現(xiàn)指令譯碼。在隨機邏輯CPU指令集中，能夠使用以下4種類型指令：分支指令(branchinstruction)、存放器引用指令(memoryreferenceinstruction)、ALU指令(ALUinstruction)、設(shè)置指令(SETinstruction)普通設(shè)計方法是將指令內(nèi)部結(jié)構(gòu)劃分成多個指令字段(field)。同時還要求這些指令字段在各指令中所放位置盡可能一樣。這么，在CPU中能夠降低指令譯碼所需邏輯數(shù)量。電子科大微機原理第51頁指令簡化示例假如限制在機器內(nèi)部只用一個累加器，則指令集就會被限制在以下范圍內(nèi)：①使用單目操作數(shù)指令，能夠?qū)⒗奂悠髯鳛橐粋€源操作數(shù)，同時可作為一個目標(biāo)操作數(shù)。②使用雙目操作數(shù)指令，能夠?qū)⒗奂悠髯鳛橐粋€源操作數(shù)，以存放器作為另一個源操作數(shù)，累加器同時也可作為目標(biāo)操作數(shù)。假如只用一個索引存放器，則尋址模式將局限于以下兩種方式：①

當(dāng)進(jìn)行直接存放器尋址時，存放器地址由指令中部分字段提供。②當(dāng)進(jìn)行指數(shù)尋址時，目標(biāo)地址一部分來自指令存放器地址，與指數(shù)存放器相加之后，形成目標(biāo)操作數(shù)地址。電子科大微機原理第52頁微碼CPU體系結(jié)構(gòu)在微碼結(jié)構(gòu)中，控制單元輸入和輸出之間關(guān)系被視為一個存放系統(tǒng)。時序部件指令預(yù)處理工作原理微程序控制(存放控制)組成微碼控制器+微代碼電子科大微機原理第53頁微碼CPU特點優(yōu)點：能夠經(jīng)過降低取指令次數(shù)方法來降低存放器總訪問時間從而提升系統(tǒng)性能；簡化硬件設(shè)計，可使其成品機器幾乎沒有設(shè)計上錯誤；建立或改動微代碼比建立或改動電路省時、不易犯錯，所以更易于創(chuàng)建新CPU版本；缺點：一樣功效微代碼比硬連邏輯實現(xiàn)開銷大；電子科大微機原理第54頁微碼結(jié)構(gòu)與隨機邏輯結(jié)構(gòu)比較硬件設(shè)計開銷隨機邏輯CPU硬件和指令集必須同時進(jìn)行設(shè)計和優(yōu)化，所以比較復(fù)雜。微碼CPU指令集設(shè)計并不直接影響現(xiàn)有硬件，修改指令集并不需要重新設(shè)計新硬件。性能假如采取相同指令集，則隨機邏輯CPU操作會更加快。假如執(zhí)行相同計算任務(wù)，微碼CPU能夠經(jīng)過使用更少(但更復(fù)雜)指令到達(dá)更高性能。當(dāng)系統(tǒng)整體性能受限于存放器速度時，微碼CPU對性能提升優(yōu)勢更為顯著。電子科大微機原理第55頁微碼CPU設(shè)計步驟建立硬件體系結(jié)構(gòu)，確保其具備執(zhí)行必要基本功效步驟功效。將指令分割成許多微步驟，轉(zhuǎn)寫成微程序并寫入控制存放器。微指令Micro-instruction微程序Micro-program（固件fireware）指令instruction微碼控制器Microcodecontroller（定序器sequencer）電子科大微機原理第56頁微程序存放器一條機器指令由一個微程序?qū)崿F(xiàn)，微程序存放在CPU內(nèi)部“控制存放器”中。一個微程序由多條微指令組成。微指令普通由兩個部分組成。一條微指令對應(yīng)一個或多個微操作命令（也稱“微命令”），即實現(xiàn)微操作控制信號。微操作命令下址控制字段次序字段M+1M+2轉(zhuǎn)執(zhí)行周期微程序轉(zhuǎn)取指周期微程序P+1P+2M

取指LDAMM+1M+2轉(zhuǎn)間址或執(zhí)行周期微程序間址中止PP+1P+2ADDJMP電子科大微機原理第57頁微碼CPU操作1-指令譯碼與執(zhí)行控制邏輯對IR中指令譯碼，確定對應(yīng)微碼程序地址并寫入PC；PC向微碼ROM提供

地址，返回微碼寫入IR；IR譯碼后產(chǎn)生對應(yīng)控制信號；PC地址加1后獲取下一條微指令地址，直到完成整個微碼程序電子科大微機原理第58頁微碼CPU操作2-讀寫數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)通路普通應(yīng)有以下三個基本時鐘周期：從存放器讀數(shù)據(jù)后：寫入存放器堆(RegisterFile)；寫入指令存放器(IR)；寫入暫時存放器(TempIn)；作為ALU一個輸入；從存放器讀數(shù)據(jù)后：寫入存放器地址存放器MAR；寫入暫時存放器作為ALU一個輸入；存入存放器；將Result存放器內(nèi)容寫入存放器組，或存入存放器；電子科大微機原理第59頁流水線技術(shù)特點延遲＝320ps吞吐量＝3.12GIPS延遲＝?ps吞吐量＝?GIPS延遲＝360ps吞吐量＝8.33GIPS單個操作延遲增加；整體吞吐量增加；電子科大微機原理第60頁流水線操作過程電子科大微機原理第61頁流水線不足各階段性能差異會造成流水線性能下降存放器延遲開銷造成流水線性能下降硬件空閑延遲＝?ps吞吐量＝?GIPS延遲＝360ps吞吐量＝8.33GIPS電子科大微機原理第62頁指令流水線設(shè)計基本要求流水線各個段操作相互獨立流水線各個段操作同時性能指標(biāo)吞吐率(ThroughputRate)加速比(SpeedupRatio)效率(Efficiency)相關(guān)及處理

結(jié)構(gòu)相關(guān)、數(shù)據(jù)相關(guān)和控制相關(guān)深度(depth)或并行度(degreeofparallelism)即流水級數(shù)m等候時間(latency)每一作業(yè)從開始到結(jié)束所需時鐘周期數(shù)，＝m理想流水線：各級延時時間相等；無等候時間；大量代碼不停流；電子科大微機原理第63頁吞吐率(ThroughputRate)吞吐率Tp：指單位時間內(nèi)能完成作業(yè)量。最大吞吐率Tpmax：流水線到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)后吞

吐率。用于描述流水線執(zhí)行各種運算速率，通常表示為每秒執(zhí)行運算數(shù)或每七天期執(zhí)行運算數(shù)。若一個m級線性流水線各級時長(即拍長)均為Δt，則連續(xù)處理n條指令時實際吞吐率Tp為：能夠看出，當(dāng)n→時，最大吞吐率Tpmax＝1/Δt理想流水線，大量代碼電子科大微機原理第64頁加速比(SpeedupRatio)非流水線執(zhí)行時間相對流水線