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流水线设计

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流水线技术及其原理介绍
作者:输送机械设备网  发布于:2014-4-9 10:51:13  浏览量:
 
 [摘要]市场上推出的各种不同的16位/32位微处理器基本上都采用了流水线技术。如80486和Pentium均使用了6步流水线结构,流水线技术是通过增加计算机硬件来实现的。

  流水线技术是一种将每条指令分解为多步,并让各步操作重叠,从而实现几条指令并行处理的技术。程序中的指令仍是一条条顺序执行,但可以预先取若干条指令,并在当前指令尚未执行完时,提前启动后续指令的另一些操作步骤。这样显然可加速一段程序的运行过程。
  计算机流水线是Intel首次在486芯片中开始使用的。流水线的工作方式就象工业生产上的装配流水线。在CPU中由5—6个不同功能的电路单元组成一条指令处理流水线,然后将一条X86指令分成5—6步后再由这些电路单元分别执行,这样就能实现在一个CPU时钟周期完成一条指令,因此提高CPU的运算速度。经典奔腾每条整数流水线都分为四级流水,即指令预取、译码、执行、写回结果,浮点流水又分为八级流水。
计算机流水线(Pipeline)技术是目前广泛应用于微处理芯片(CPU)中的一项关键技术,计算机流水线技术指的是对CPU内部的各条指令的执行方式的一种形容,要了解它,就必须先了解指令及其执行过程。
  市场上推出的各种不同的16位/32位微处理器基本上都采用了流水线技术。如80486和Pentium均使用了6步流水线结构,流水线的6步为:
  (1)取指令。C P U从高速缓存或内存中取一条指令。
  (2)指令译码。分析指令性质。
  (3)地址生成。很多指令要访问存储器中的操作数,操作数的地址也许在指令字中,也许要经过某些运算得到。
  (4)取操作数。当指令需要操作数时,就需再访问存储器,对操作数寻址并读出。
  (5)执行指令。由A L U执行指令规定的操作。
  (6)存储或"写回"结果。最后运算结果存放至某一内存单元或写回累加器A。
  在理想情况下,每步需要一个时钟周期。当流水线完全装满时,每个时钟周期平均有一条指令从流水线上执行完毕,输出结果,就像轿车从组装线上开出来一样。Pentium、Pentium Pro和Pentium II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。
  流水线技术是通过增加计算机硬件来实现的。例如要能预取指令,就需要增加取指令的硬件电路,并把取来的指令存放到指令队列缓存器中,使MPU能同时进行取指令和分析、执行指令的操作。因此,在16位/32位微处理器中一般含有两个算术逻辑单元ALU,一个主ALU用于执行指令,另一个ALU专用于地址生成,这样才可使地址计算与其它操作重叠进行。

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