第讲——CPU的结构和功能().pdf

运算机组成原理课程教案（第22次课）

章节课时

第8章CPU的结构和功能（）第11周2学时

名称安排

授课教学环境及有投影仪的教室

理论课

方式教具准备PPT多媒体教学课件

教学

让学生全面理解和掌握指令流水线相关技术

目的

教学

剖析指令流水原理，分析影响流水线性能的因素，计算流水线性能

重点

教学

流水线3项性能指标的分析计算

难点

教学基本内容是否重、难点方法及手段

指令流水

8.3.1指令流水原理重点多媒体讲解

8.3.2影响流水线性能的因素重点多媒体讲解

8.3.3流水线性能重点难点举例讲解

8.3.4流水线中的多发技术了解多媒体讲解

8.3.5流水线结构了解多媒体讲解

教学过程与设计

复习旧课：一次间接寻址的加运算指令的指令周期过程？

引入新课：提高CPU的处理速度有哪些主要措施？

指令流水

8.3.1如何提高机器速度

为了进一步提高处理机速度，通常可以从提高器件的性能和改进系统的结构，开发系

统的并行性两方面入手。

提高器件的性能

改进系统的结构，开发系统的并行性

8.3.2系统的并行性

（1）并行性的两种含义

同时性：两个或以上事件在同一时刻发生。如多机系统中，同一时刻多个进程在

运行。

并发行：两个或以上事件在同一间隔内发生。如并发程序，某一时刻CPU中只

有一个进程在运行，而在一个时间段内，多个进程同时运行。

（2）并行性的等级

过程级（作业级或程序级、任务级或进程级）：粗粒度，软件实现。

粗粒度并行在“计算机体系结构”课中学习。

指令级（指令之间级、指令内部级）：细粒度，硬件实现。

细粒度并行涉及的重要技术就是指令的流水作业。

（3）并行性的三种形式

时间并行：即使用流水处理部件，时间重叠。

空间并行：设置重复资源，同时工作。

时间并行＋空间并行：时间重叠和资源重复的综合应用。

8.3.3指令流水原理

（1）指令的串行执行

取指令由取指令部件完成

执行指令由执行指令部件完成

总有一个部件空闲

动画演示P346页图指令的串行执行。

（2）指令的二级流水

指令预取

取指和执行阶段时间上完全重叠

指令周期减半，速度提高1倍

动画演示P347页图指令的二级流水。

（3）影响指令流水效率加倍的因素

执行时间取指时间

条件转移指令指令流水的影响

解决办法？猜测法？

（4）指令的六级流水

指令六级流水时序如P348页图。

完成一条指令由6个时间单位负责

串