【软考：软件设计师】 2 计算机组成与体系结构（二）详解指令系统 | 指令流水线

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一、计算机系统基础知识

:传送门计算机系统基础知识

二、计算机体系结构

1.计算机体系结构

1.1计算机体系结构的分类

1.1.1 宏观上按处理机的数量分类

• ①单处理系统（Uni-processing System)：利用一个处理单元与其他外部设备结合起来，实现存储、计算、通信、输入与输出等功能的系统
• ②并行处理与多处理系统（ParallelProcessingandMultiprocessingSystem)：为了充分发挥问题求解过程中处理的并行性， 将两个以上的处理机互连起来， 彼此进行通信协调，以便共同求解一个大问题的计算机系统
• ③分布式处理系统（Distributed Processing System)：指物理上远距离而松親合的多计算机系统。
  • 其中，物理上的远距离意味着通信时间与处理时间相比己不可忽略， 在通信线路上的数据传输速率要比在处理机内部总线上传输慢得多， 这也正是松耦合的含义

1.1.2 微观上按并行程度分类

• ①Flynn分类法

1966年， MJ.Flynn提出按指令流和数据流的多少进行分类。
指令流为机器执行的指令序列， 数据流是由指令调用的数据序列。

体系结构类型	结构	关键特性	代表
单指令流单数据流SISD	控制部分：1个 处 理 器：1个 主存模块：1个		单处理器系统
单指令流多数据流SIMD	控制部分：1个 处 理 器：多个 主存模块：多个	各处理器以异步的形式执行同一条指令	并行处理机 阵列处理机 超级向量处理机
多指令流单数据流MISD	控制部分：多个 处 理 器：1个 主存模块：多个	被证明不可能，至少是不实际	目前没有，有文献称流水线计算机为此类
多指令流多数据流MIMD	控制部分：多个 处 理 器：多个 主存模块：多个	能够实现作业、任务、指令等各级全面并行	多处理机系统 多计算机

• 由上图可知，措令流由控制部分处理，每一个控制部分处理一条指令流，多指令流就有多个控制部分；数据流由处理器来处理，每一个处理器处理一条数据流，多数据流就有多个处理器；至于主存模块，是用来存储的，存储指令流或者数据流，因此，无论是多指令流还是多数据流，都需要多个主存模块来存储，对于主存模块，指令和数据都一样。

• 扩展：为何多指令流单数据流MISD不实际？
  答： 依据计算机特性，是由指令来控制数据的传输，因此，一条指令可以控制一条或多条数据流，但一条数据流不能被多条指令控制否则会出错，就如同上级命令太多还互相冲突，不知道该执行哪个，因此多指令单数据MISD不可能。

• ②冯泽云分类法
• ③Handler分类法
• ④Kuck分类法

1.2 计算机指令

1.2.1 计算机指令的组成

• 一条指令由操作码和操作数 两部分组成，操作码决定要完成的操作，操作数指参加运算的数据及其所在的单元地址。

• 在计算机中，操作要求和操作数地址都由二进制数码表示，分别称作操作码和地址码，整条指令以二进制编码的形式存放在存储器中。
  

1.2.2 计算机指令执行过程

• 计算机指令执行过程： 取指令——分析指令——执行指令
• 1️⃣将程序计数器PC中的指令地址取出，送入地址总线， CPU依据指令地址去内存中取出指令内容存入指令寄存器IR；2️⃣由指令译码器进行分析，分析指令操作码；3️⃣执行指令，取出指令执行所需的源操作数

1.2.3 指令寻址方式

指令寻址：确定下一条要执行的指令的存放地址

• 顺序寻址方式： 当执行一段程序时，是一条指令接着一条指令地顺序执行
• 跳跃寻址方式： 指下一条指令的地址码不是由程序计数器给出，而是由本条指令直接给出。
  • 程序跳跃后，按新的指令地址开始顺序执行。因此，程序计数器的内容也必须相应改变，以便及时跟踪新的指令地址。

1.2.4 指令操作数的寻址方式

• 1️⃣立即寻址方式：指令的地址码字段指出的不是地址，而是操作数本身。

  • 一条指令的执行：取指令访存1次，执行指令访存0次，共访存1次
    

• 2️⃣直接寻址方式：在指令的地址字段中直接指出操作数在主存中的地址。

  • 一条指令的执行：取指令访存1次，执行指令访存1次，共访存两次
    

• 3️⃣间接寻址方式：指令地址码字段所指向的存储单元中存储的是操作数的地址。

  • 指令在执行阶段要多次访存(一次间址需两次访存)
    

• 4️⃣寄存器寻址方式：指令中的地址码是寄存器的编号。

  • 一条指令的执行：取指令访存1次，执行指令访存0次，共访存1次
    

1.3 指令系统CISC和RISC

• CISC(Complex Instruction Set Computer,复杂指令集计算机)是复杂指令系统，兼容性强，指令繁多、长度可变，由微程序实现；
• RISC(Reduced Instruction Set Computer,精简指令集计算机)是 精简指令系统，指令少，使用频率接近，主要依靠硬件实现(通用寄存器、硬布线逻辑控制)
• 二者的区别

指令系统类型	指令	寻址方式	实现方式	其他
CISC(复杂)	数量多，使用频率差别大，可变长格式	支持多种	微程序控制技术(微码)	研制周期长
RISC(精简)	数量少，使用频率接近，定长格式，大部分为单周期指令，操作寄存器，只有Load/Store操作内存	支持方式少	增加了通用寄存器;硬布线逻缉控制为主;适合采用流水线	优化编译，有效支持高级语言

1.4 指令的流水处理

1.4.1流水线原理

• 将指令分成不同段，每段由不同的部分去处理，因此可以产生叠加的效果，所有的部件去处理指令的不同段
  

1.4.2流水线时间计算

• 1️⃣流水线周期：指令分成不同执行段，其中执行时间最长的段为流水线周期
• 2️⃣流水线执行时间： 1条指令总执行时间+(总指令条数-1)*流水线周期

超标量流水线技术：常规流水线是度为1的，即每个流水线阶段只执行一个部分，当度大于1时，就是超标量技术，当度为3时，相当于3条流水线并行执行，即取指、分析、执行每个阶段都同时处理3条指令，因此，当题目提到度的概念时，计算时需要将：指令条数=指令条数/度。然后再套流水线执行时间的公式

1.4.3流水线吞吐率计算

• 吞吐率： 单位时间内执行的指令条数
  $TP=总指令条数/流水线执行时间$

1.4.4流水线的加速比计算

• 加速比： 使用流水线后的效率提升度，即比不使用流水线快了多少倍，越高表明流水线效率越高
  $S=不使用流水线总执行时间/使用流水线总执行时间$

1.4.5流水线的效率

• 示例：
  
  如上图，流水线的效率分母其实是一个面积，为整个流水段长方形的总面积，为4×15=60，而其中4个任务只占用了阴影小方块，总的是4×6=24，可以简单的理解为(一条指令的执行时间/整个流水线的执行时间）
  

今天的内容就到这里啦 希望对大家的学习有所帮助 欢迎大家来访，我们共同学习交流