控制方式

说明

优点

缺点

1

顺序方式

各机器指令之间顺序串行地执行，且每条机器指令内部的各个微操作也是顺序串行执行。

控制简单

速度慢，各部件的利用率低

2

重叠方式

在解释第K条指令的操作完成前，就开始解释第K+1条指令。

通常采用的是一次重叠。即在任何时候，指令分析部件和指令执行部件都只有相邻两条指令在重叠解释。

速度有所提高，控制也不复杂

会出现冲突、转移和相关等问题，在设计时必须想办法解决

3

流水方式

模仿工业生产过程的流水线（如汽车装配线）而提出的一种指令控制方式。

流水（pipe lining）技术是把并行性或并发性嵌入系统的一种形式，把重复的顺序处理过程分解为若干子过程，每个子过程能在专用的独立模块上有效地并发工作

分类

流水线

1

级别角度

部件级、处理机级以及系统级流水线

2

功能角度

单功能流水线和多功能流水线

3

联接方式

静态流水线和动态流水线

4

是否有反馈回路

线性流水线和非线性流水线

5

流动顺序

同步流水线和异步流水线

6

数据表示

标量流水线和向量流水线

相关

说明

解决方法

1

局部性相关

由于流水时机器同时解释多条指令，可能存在对同一主存单元或同一寄存器的“先写后读"的要求，这时就出现了相关。这种相关包括指令相关、访存操作数相关以及通用寄存器组相关等，它只影响相关的两条或几条指令，而且至多影响流水线的某些段推后工作，并不会改动指令缓冲器中预取到的指令内容，影响是局部的

①推后法：推后对相关单元的读，直至写入完成

②通路法：设置相关专用通路，使得不必先把运算结果写入相关存储单元，再从这里读出后才能使用，而是经过相关专用通路直接使用运算结果，以加快速度。

2

全局性相关

转移指令（尤其是条件转移指令）与它后面的指令之间存在关联，使之不能同时解释。执行转移指令时，可能会改动指令缓冲器中预取到的指令内容，从而会造成流水线吞吐率和效率下降，比局部性相关的影响要严重得多

①猜测转移分支：条件转移指令的两个分支中，一个分支是按原来的顺序继续执行下去，称为转移不成功分支；另一个分支是按转移后的新指令序列执行，称为转移成功分支。许多流水机器都猜选转移不成功分支，若猜对的机率很大，流水线的吞吐率和效率就会比不采用猜测法时高得多。

②加快和提前形成条件码：对流水线简化条件转移的处理。例如，一个乘法运算所需时间较长，但在运算之前就能知道其结果为正或为负，或者是否为0，因此，加快单条指令内部条件码的形成，或者在一段程序内提前形成条件码，对转移问题的顺利解决是很有好处的。

③加快短循环程序的处理：由于程序中广泛采用循环结构，因此流水线大都采用特殊措施以加快循环程序的处理。例如，使整个循环程序都放入指令缓冲存储器中，对提高流水效率和吞吐率均有明显效果。流水的中断处理和转移一样，也会引起流水线断流。一般情况下，中断出现的概率要比条件转移出现的概率低得多，因此只要处理好断点现场保护及中断后的恢复，尽量缩短断流时间即可。

流水技术

说明

1

超流水线技术

超流水线（super pipeline）技术是RISC采用的一种并行处理技术。

通过细化流水、增加级数和提高主频，使得每个机器周期内能完成1个甚至2个浮点操作。

实质：以时间换取空间。

超流水机器特征：在所有的功能单元都采用流水，并有更高的时钟频率和更深的流水深度。由于只限于指令级并行，所以超流水机器的CCPI （Clock Cycles Per Instruction，每个指令需要的机器周期数）值稍高。

2

超标量技术

超标量（super scalar）技术是RISC采用的又一种并行处理技术。

通过内装多条流水线来同时执行多个处理，其时钟频率虽然与一般流水接近，却有更小的CCPL其实质是以空间换取时间。

3

超长指令字

超长指令字（Very Long Instruction Word，VLIW）技术由LIW发展而来。

VLIW和超标量的共同点是要同时执行多条指令，不同在于超标量依靠硬件来实现并行处理的调度，VLIW则充分发挥软件作用使硬件简化，性能提高。VLIW有更小的CPI值，但需要有足够高的时钟频率。