第五章 標量流水技術

　　在學這一章之前，我們先想一下"流水"是什么意思，我們看到過工廠的生產流水線，每一個工序都在工作，每一個工人都沒有閑著，他們同時在工作，做著同一件事，流水線每隔一個拍子就出來一個成品。這樣的生產效率是很高的。如果不是用流水線，而是從開始一道工序一道工序地往后傳遞直到做成一個成品再從第一道工序開始生產，那么，在前一道工序完成任務之前，后面工序就會在等待，每個時刻只有一個工序在工作。這樣的效率是很低的，即使每一道工序的工作速度提高很多。

　　計算機的流水技術也就是應用了這樣的技術，它從系統結構上考慮使計算機在運行時各個"工序"都不能閑著，每時刻都要在進行處理。這就是引入的并行處理能力。流水控制方式就是一種非常經濟有效的方法。

　　一、控制流及其改變（領會）

　　編過程序的人都知道，算法中，常常需要程序的流程發生轉移，比如從這條語句跳到另一條語句。控制流就是被處理的指令序列的執行順序。當程序在執行過程中遇到以下一些情況下時，控制流就要發生改變：

　　1.轉移指令。2.過程調用和返回。3.協同程序。4.中斷和自陷。

　　控制流的改變就使得程序在執行時，要在存儲器中不相鄰的地址處讀取指令。

　　二、標量流水工作原理（領會）

　　這里我們提一下標量。 標量是代數量的一種，它們構成一個域，通常是實數或復數。我們可以理解為單個的量。這是與向量相對的概念。而向量是通常由標量的一組有序集合表示的量。在我們這里，它是一種地址，比如一個數組在C語言中用a[10]表示，實際上它指示的是一個首地址a，長度為10.這10個數據的存儲空間在存儲器中就是一個向量。

　　在計算機中采用的重疊操作是指計算機中不同部件或同一部件內的各種操作在時間上存在重疊的部分。就像上面提到的各個工序的工人們在操作時間上存在重疊的部分。

　　指令的解釋方式一般分為順序、重疊、流水三種。

　　在這一節內容中。我們要掌握的就是重疊操作后指令執行時間的計算。以及采用先行控制技術后時間的計算。

　　先行控制技術：它的基本思想是使分析部件和執行部件能分別連續不斷地分析和執行指令，為了保證分析和執行部件的連續工作，在系統中通常要增設指令緩沖棧、先行操作棧、數據緩沖棧等，所以這種技術實際上是預處理技術和緩沖技術的結合，即通過對指令流的先行控制，使指令分析器和執行部件能盡量地連續工作。這里的緩沖部件一般采用先進先出的工作方式。請理解教材圖5.6.各個緩沖部件的深度之間存在如下關系：

　　D指緩≥D操作數≥D讀棧≥寫棧

　　標量流水工作原理（領會）：根據上面的重疊技術和先行控制技術。進一步發展應用就是標量流水技術。如果把一條指令的解釋過程進一步細分，如把分析、執行兩個過程分成取指、譯碼、執行、訪存、寫回寄存器五個子過程，并用五個子部件分別處理每個子過程。就像工廠中的流水線，重疊的操作最后可以使用五個子部件同時對五條指令進行操作。相應的我們要能理解流水時空圖。

　　在流水技術中有如下一些特點：對照工廠的裝配流水線很容易理解：（領會）

　　（1）一條流水線由多個流水段組成（多段）

　　（2）每個流水段有專門的功能部件對指令進行某種加工（專件）

　　（3）各流水段所需時間是一樣的（同時）

　　（4）流水線工作階段可分為建立、滿載和排空三個階段（在階段）

　　（5）在理想情況下，當流水線充滿后，每隔Δt時間將會有一個結果流出流水線。

　　標量流水的分類（識記）

　　按處理級別分類：操作部件級、指令級、處理機級（這三個級別是從細到粗排列的）

　　按功能分類：單功能流水線和多功能流水線。大多數流水計算機采用單功能流水線。

　　按工作方式分類：靜態流水線和動態流水線兩種。這里要注意的是靜態流水線可以是單功能的，也可以是多功能的。而動態流水線必是多功能的。單功能流水線必是靜態的。

　　按連接方式分類：線性流水線與非線性流水線。

　　流水線的主要性能及其分析（簡單應用）

　　在這一節中，要對"吞吐率、效率、加速比"這三個衡量流水線性