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　　第五章 標(biāo)量流水技術(shù)

　　在學(xué)這一章之前，我們先想一下"流水"是什么意思，我們看到過(guò)工廠(chǎng)的生產(chǎn)流水線(xiàn)，每一個(gè)工序都在工作，每一個(gè)工人都沒(méi)有閑著，他們同時(shí)在工作，做著同一件事，流水線(xiàn)每隔一個(gè)拍子就出來(lái)一個(gè)成品。這樣的生產(chǎn)效率是很高的。如果不是用流水線(xiàn)，而是從開(kāi)始一道工序一道工序地往后傳遞直到做成一個(gè)成品再?gòu)牡谝坏拦ば蜷_(kāi)始生產(chǎn)，那么，在前一道工序完成任務(wù)之前，后面工序就會(huì)在等待，每個(gè)時(shí)刻只有一個(gè)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(jì)算機(jī)的流水技術(shù)也就是應(yīng)用了這樣的技術(shù)，它從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上考慮使計(jì)算機(jī)在運(yùn)行時(shí)各個(gè)"工序"都不能閑著，每時(shí)刻都要在進(jìn)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(jīng)濟(jì)有效的方法。

　　一、控制流及其改變（領(lǐng)會(huì)）

　　編過(guò)程序的人都知道，算法中，常常需要程序的流程發(fā)生轉(zhuǎn)移，比如從這條語(yǔ)句跳到另一條語(yǔ)句。控制流就是被處理的指令序列的執(zhí)行順序。當(dāng)程序在執(zhí)行過(guò)程中遇到以下一些情況下時(shí)，控制流就要發(fā)生改變：

　　1.轉(zhuǎn)移指令。2.過(guò)程調(diào)用和返回。3.協(xié)同程序。4.中斷和自陷。

　　控制流的改變就使得程序在執(zhí)行時(shí)，要在存儲(chǔ)器中不相鄰的地址處讀取指令。

　　二、標(biāo)量流水工作原理（領(lǐng)會(huì)）

　　這里我們提一下標(biāo)量。 標(biāo)量是代數(shù)量的一種，它們構(gòu)成一個(gè)域，通常是實(shí)數(shù)或復(fù)數(shù)。我們可以理解為單個(gè)的量。這是與向量相對(duì)的概念。而向量是通常由標(biāo)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(gè)數(shù)組在C語(yǔ)言中用a[10]表示，實(shí)際上它指示的是一個(gè)首地址a，長(zhǎng)度為10.這10個(gè)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)空間在存儲(chǔ)器中就是一個(gè)向量。

　　在計(jì)算機(jī)中采用的重疊操作是指計(jì)算機(jī)中不同部件或同一部件內(nèi)的各種操作在時(shí)間上存在重疊的部分。就像上面提到的各個(gè)工序的工人們?cè)诓僮鲿r(shí)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(jié)內(nèi)容中。我們要掌握的就是重疊操作后指令執(zhí)行時(shí)間的計(jì)算。以及采用先行控制技術(shù)后時(shí)間的計(jì)算。

　　先行控制技術(shù)：它的基本思想是使分析部件和執(zhí)行部件能分別連續(xù)不斷地分析和執(zhí)行指令，為了保證分析和執(zhí)行部件的連續(xù)工作，在系統(tǒng)中通常要增設(shè)指令緩沖棧、先行操作棧、數(shù)據(jù)緩沖棧等，所以這種技術(shù)實(shí)際上是預(yù)處理技術(shù)和緩沖技術(shù)的結(jié)合，即通過(guò)對(duì)指令流的先行控制，使指令分析器和執(zhí)行部件能盡量地連續(xù)工作。這里的緩沖部件一般采用先進(jìn)先出的工作方式。請(qǐng)理解教材圖5.6.各個(gè)緩沖部件的深度之間存在如下關(guān)系：

　　D指緩≥D操作數(shù)≥D讀棧≥寫(xiě)棧

　　標(biāo)量流水工作原理（領(lǐng)會(huì)）：根據(jù)上面的重疊技術(shù)和先行控制技術(shù)。進(jìn)一步發(fā)展應(yīng)用就是標(biāo)量流水技術(shù)。如果把一條指令的解釋過(guò)程進(jìn)一步細(xì)分，如把分析、執(zhí)行兩個(gè)過(guò)程分成取指、譯碼、執(zhí)行、訪(fǎng)存、寫(xiě)回寄存器五個(gè)子過(guò)程，并用五個(gè)子部件分別處理每個(gè)子過(guò)程。就像工廠(chǎng)中的流水線(xiàn)，重疊的操作最后可以使用五個(gè)子部件同時(shí)對(duì)五條指令進(jìn)行操作。相應(yīng)的我們要能理解流水時(shí)空?qǐng)D。

　　在流水技術(shù)中有如下一些特點(diǎn)：對(duì)照工廠(chǎng)的裝配流水線(xiàn)很容易理解：（領(lǐng)會(huì)）

　　（1）一條流水線(xiàn)由多個(gè)流水段組成（多段）

　　（2）每個(gè)流水段有專(zhuān)門(mén)的功能部件對(duì)指令進(jìn)行某種加工（專(zhuān)件）

　　（3）各流水段所需時(shí)間是一樣的（同時(shí)）

　　（4）流水線(xiàn)工作階段可分為建立、滿(mǎn)載和排空三個(gè)階段（在階段）

　　（5）在理想情況下，當(dāng)流水線(xiàn)充滿(mǎn)后，每隔Δt時(shí)間將會(huì)有一個(gè)結(jié)果流出流水線(xiàn)。

　　標(biāo)量流水的分類(lèi)（識(shí)記）

　　按處理級(jí)別分類(lèi)：操作部件級(jí)、指令級(jí)、處理機(jī)級(jí)（這三個(gè)級(jí)別是從細(xì)到粗排列的）

　　按功能分類(lèi)：?jiǎn)喂δ芰魉€(xiàn)和多功能流水線(xiàn)。大多數(shù)流水計(jì)算機(jī)采用單功能流水線(xiàn)。

　　按工作方式分類(lèi)：靜態(tài)流水線(xiàn)和動(dòng)態(tài)流水線(xiàn)兩種。這里要注意的是靜態(tài)流水線(xiàn)可以是單功能的，也可以是多功能的。而動(dòng)態(tài)流水線(xiàn)必是多功能的。單功能流水線(xiàn)必是靜態(tài)的。

　　按連接方式分類(lèi)：線(xiàn)性流水線(xiàn)與非線(xiàn)性流水線(xiàn)。

　　流水線(xiàn)的主要性能及其分析（簡(jiǎn)單應(yīng)用）

　　在這一節(jié)中，要對(duì)"吞吐率、效率、加速比"這三個(gè)衡量流水線(xiàn)性