5.1.1基本(jīběn)思想和一次重叠接着，看执行k与分析k+1。为了实现它们的重叠，硬件上应有独立的指令分析部件和指令执行部件。而且，由于执行时间的不同，还需在硬件上解决控制上的同步问题。此外(cǐwài)，当第k条指令是转移指令时，还需采用延迟转移技术使重叠效率不致下降。在控制上还需解决邻近指令之间可能出现的数和指令相关的问题。5.1.2相关(xiāngguān)处理2.主存空间数相关的处理如图5.6所示，主存空间数相关是相邻两条指令之间出现对主存同一单元要求先写而后读的关联。要想不出错，只有(zhǐyǒu)推后分析k+1的读。推后读常见的方法是由存控给读数、写数申请安排不同的访存优先级来解决。当第k和第k+1出现主存数相关时，存控先处理执行k的写数，而将分析k+1的读申请推迟到下一个主存周期才能处理，自动实现推后分析k+1。3.通用寄存器组相关的处理通用寄存器可以存放操作数、运算结果、基址值或变址值，在指令解释过程中，使用通用寄存器作不同用途所需微操作的时间不同。如图5.7P129所示，存放基址或变址值一般在“分析”周期的前半段取用；操作数是在“分析”周期的后半段取出，到“执行”周期的前半段采用；运算结果是在“执行”周期末尾形成并存入通用寄存器中。要解决通用寄存器组数相关，一种办法是可以推后分析k+1的读到执行k结束时开始，也可推后到执行k把结果送入L3。该方法降低了速度，当不增加设备另一种方法就是如图5.9P130所示设置相关专用通路。该方法增加了设备，当重叠效率并不下降。特别的，当通用寄存器组基址值或变址值相关(如图5.10P131)时，也可以采用推后分析(如图5.11P131)和设置相关专用通路(如图5.12P131)的方法。综上所述，为实现两条指令在时间上重叠解释，首先需要(xūyào)付出空间代价，如增设数据总线、控制总线、指令缓冲器、地址加法器、相关专业通路，将指令分析部件和指令执行部件功能分开、单独设置，主存采用多体交叉存取等。其次，要处理好指令之间可能存在的关联。此外，还应该合理调配好机器指令的微操作，使分析和执行的时间尽可能相等，以提高重叠的效率。5.2流水(liúshuǐ)方式5.2.1基本概念2.分类流水线依据向下和向上扩展的思路，可分类出在计算机系统不同等级上使用的流水线。向下扩展指的是把子过程进一步细分，让每个子过程经过的时间都同等程度减少，吞吐率就会进一步提高。向上扩展可理解为在多个处理机之间流水；流水线按照处理级别可分为部件级(部件内各子部件间的流水)、处理机级(构成处理机的各部件之间的流水)和系统级(构成计算机系统的多处理机之间的流水)；从流水线具有功能的多少来看，可以分为单功能流水线(只能实现单一功能的流水)和多功能流水线(同一流水线的各个段之间可以有多种不同的联接方式以实现多种不同的功能或功能)；按多功能流水线的各段能否允许同时用于多种不同功能联接流水，可把流水线分成(fēnchénɡ)静态流水线(同一时间内各段只能按一种功能联接流水)和动态流水线(同一时间内可按不同运算或功能联接)；以机器所具有的数据表示可把流水线处理机分为标量流水机(没有向量数据表示，只能以标量循环方式处理向量和数据)和向量流水机；从流水线中各功能段之间是否有反馈回路，分为线性流水和非线性流水。5.2.2流水线处理机的主要(zhǔyào)性能加速比SP表示流水方式相对于非流水顺序方式速度提高的比值，SP=nm△t0/(m△t0+(n-1)△t0)=m/(1+(m-1)/n)所以，线性流水线各段时间相等时，仅当n>>m时，连续流入的任务数n远多于流水线子过程数m时，其加速比才能趋于最大值，即为流水线的段数m。这样一来，就可以通过让子过程细分增大m的方法来提高加速比。但是，如果增大m缩短△t0，却未能再软件、算法、语言(yǔyán)编译、程序设计上保证连续流动的任务数n能远大于子过程数m，则实际吞吐率将大大低于最大吞吐率。极限情况下，当n=1时，由于m增大。锁存器个数增多，实际增大了任务在流水线上的通过时间，反而使其速度会比顺序串行的还要低。如果线性流水线每段经过的时间△ti不等，其中瓶颈段的时间是△tj，则完成n个任务的实际吞吐率TP=n/(∑△ti+(n-1)△tj)其加速比SP=n∑△ti/(∑△ti+(n-1)△tj)2.效率流水线的效率是指流水线中设备的实际使用时间占整个运行时间之比，也称为流水线设备的时间利用率。如果是线性流水线且各段经过的时间相同，如图5.22P138所示，则在n个任务执行的整个时间T中，流水线各段的效率都相同，均为η0，即η1=η2=…=ηm=n△t0/T=n/(m+(n-1)=η0整个流水线的效率η=(η1+η2+…+ηm)/m=η0=mn△t0/m