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第六章中央处理器2020年1月24日星期五1§6流水线技术CPU的工作过程一条指令的执行过程取指令分析指令执行指令一条指令的执行过程取指令分析指令执行指令…第六章中央处理器2020年1月24日星期五2§6流水线技术取指部件译码部件执行部件CPUMEMijk第六章中央处理器2020年1月24日星期五3§6流水线技术取指部件译码部件执行部件CPUMEMijk第六章中央处理器2020年1月24日星期五4§6流水线技术取指部件译码部件执行部件CPUMEMijk其实指令的执行还可以这样：第六章中央处理器2020年1月24日星期五5§6流水线技术取指部件译码部件执行部件CPUMEMijk其实指令的执行甚至可以这样：流水线技术就是这样一种指令重叠执行的技术第六章中央处理器2020年1月24日星期五6指令的几种执行方式取指分析执行取指分析执行k+1k顺序执行方式取指分析执行取指分析执行取指分析执行第k条指令第k+1条指令第k+2条指令一次重叠执行方式取指分析执行取指分析执行取指分析执行第k条指令第k+1条指令第k+2条指令二次重叠执行方式3t3t3t3t9∆t7∆t5∆t第六章中央处理器2020年1月24日星期五7一、指令的重叠执行3．实现重叠执行必须解决的问题(1)各个部件独立控制必须将统一的指令控制器分解成三个控制器：存储控制器（存控）：对存储器的存取指令控制器（指控）：控制指令分析器的工作运算控制器（运控）：控制指令执行过程是否还有其它的问题？比如对存储器的访问是否会有问题？第六章中央处理器2020年1月24日星期五8(2)存储器访问冲突：处理机中三个独立的部件正在执行的是三条不同的指令，他们很可能同时提出对存储器读写的请求一、指令的重叠执行3．实现重叠执行必须解决的问题第六章中央处理器2020年1月24日星期五9(3)各部件运行时间不相等当分析和执行时间不相等时的重叠执行第k条指令分析执行第k+2条指令执行分析第k+1条指令分析执行空闲时间这种情况所造成的影响可以用图形象地表示：第六章中央处理器2020年1月24日星期五10二、先行控制原理采用先行控制方式的处理机框图先行指令栈后行写数栈先行读数栈存储控制器去主存储器地址线指令分析器先行操作栈运算器通用寄存器运算控制器第六章中央处理器2020年1月24日星期五11建立在重叠执行、先行控制的基础上，依据指令的处理步骤，将处理机分解成一系列独立的工作部件（+锁存器），让指令顺序地通过各个部件，完成该指令的处理全过程，这就是流水线结构的处理机。三、流水线工作原理第六章中央处理器2020年1月24日星期五12时空图——描述流水线工作过程三、流水线工作原理取指令译码形成操作数地址取操作数算逻运算保存结果指令入结果出形成操作数地址时间空间取指运算取数译码写回取k取k+1取k+2取k+3译k译k+1译k+2译k+3形k形k+1形k+2形k+3取k取k+1取k+2取k+3运k运k+1运k+2运k+3写k写k+1写k+2写k+3△t2△t3△t4△t5△t6△t7△t8△t9△t平均每条指令执行时间为△t处理步骤分割得越细，指令执行的并行度越高第六章中央处理器2020年1月24日星期五13影响流水线性能的因素：•局部相关（先写后读相关）•全局相关：转移指令、中断带来的影响三、流水线工作原理读数写数指令入结果出12345678kjihMEM第六章中央处理器2020年1月24日星期五14微处理器中的新技术超标量技术超线程技术多核技术超流水线技术当工作频率受限于技术的进步时，并行处理技术可以大大提高处理器的工作效能，同时由于频率没有提高，从而也不会显著增加功耗第六章中央处理器超标量技术超标量是通过内置多条流水线来同时执行多个处理器，以实现一个周期内处理多条指令，其实质是以空间换取时间。2020年1月24日星期五15第六章中央处理器2020年1月24日星期五16第六章中央处理器对比超标量与简单的流水线技术2020年1月24日星期五17第六章中央处理器对比超标量与超流水线技术2020年1月24日星期五18第六章中央处理器Pentium、PentiumPro和PentiumII处理器的超标量设计更是分别结合了两条和三条独立的指令流水线，每条流水线平均在一个时钟周期内执行一条指令，所以它们平均一个时钟周期分别可执行2条和3条指令。2020年1月24日星期五19第六章中央处理器超标量处理机中央处理单元（CPU）浮点处理单元（FPU）2020年1月24日星期五20第六章中央处理器超标量体系结构超标量体系结构(superscalararchitectures)超标量体系结构描述一种微处理器设计，它能够在一个时钟周期执行多个指令。在超标量体系结构设计中，处理器或指令编译器能够判断指令能独立于其它顺序指令而执行，还是依赖于另一指令，必须跟其按顺序执行。2020年1月24日星期五21第六章中央处理器超标量体系结构处理器然后使用多个执行单元同时执行两个或更多独立指令。超标量体系结构设计有时称“第二代RISC”。涉及计算机智能化，要求较高2020年1月24日星期五22第六章中央处理器CPU发展历史第1阶段（1971——1973年）是4位和8位低档微处理器时代，通常称为第1代，其典型产品是Intel4004和Intel8008微处理器。（1971年计算机发展进入第四代，大超大规模集成电路计算机）2020年1月24日星期五23第六章中央处理器CPU发展历史第2阶段（1974——1977年）是8位中高档微处理器时代，通常称为第2代，其典型产品是Intel8080/8085、Motorola公司、Zilog公司的Z80等。2020年1月24日星期五24第六章中央处理器CPU发展历史第3阶段（1978——1984年）是16位微处理器时代，通常称为第3代，其典型产品是Intel公司的8086/8088，Motorola公司的M68000，Zilog公司的Z8000等微处理器。2020年1月24日星期五25第六章中央处理器CPU发展历史第4阶段（1985——1992年）是32位微处理器时代，又称为第4代。1989年，我们大家耳熟能详的80486芯片由英特尔推出。在80x86系列中首次采用了RISC（精简指令集）技术，可以在一个时钟周期内执行一条指令。2020年1月24日星期五26第六章中央处理器CPU发展历史第5阶段（1993-2005年）是奔腾（pentium）系列微处理器时代，通常称为第5代。典型产品是Intel公司的奔腾系列芯片及与之兼容的AMD的K6、K7系列微处理器芯片。2020年1月24日星期五27第六章中央处理器CPU发展历史第6阶段（2005年至今）是酷睿（core）系列微处理器时代，通常称为第6代。2020年1月24日星期五28第六章中央处理器查询自己电脑的CPU型号2020年1月24日星期五29第六章中央处理器2020年1月24日星期五30第六章中央处理器2020年1月24日星期五31第六章中央处理器2020年1月24日星期五32第六章中央处理器2020年1月24日星期五33第六章中央处理器2020年1月24日星期五34本章小结重点内容：超线程的工作原理和实现方法超标量与超流水的区别简要介绍CPU相关知识