指令流水线&CISC&RISC

指令流水线
流水线技术：程序执行时通过多条指令重叠进行操作的一种准并行处理实现技术。

把一件任务分解为若干顺序执行的子任务，不同的子任务由不同的执行机构来负责执行，而这些执行机构可以同时并行工作。

流水线执行时间：

一条指令所需的时间+（指令条数-1）*时间最长的的指令时间。

吞吐率计算公式：Though Put rate .TP（考点）

指令条数/流水线时间

最大吞吐率：流水线周期（最长流水段的操作时间）的倒数

加速比计算公式：不使用流水线所用的时间/使用流水线所用的时间

例如：若指令流水线把一条指令分为取指、分析和执行3部分，且3部分的时间分别是取指2ns，分析2ns，执行1ns。求100条指令全部执行完毕所需的时间，吞吐率和加速比？

l 流水线时间：（2+2+1）+（100-1）*2=203ns

l 吞吐率：100/203ns

l 加速比：100*（2+2+1）/203

指令寻址方式

操作码字段（OP）+地址码字段

立即 寻址方式：操作数（本身） 直接在指令中，速度快，灵活性差

直接 寻址方式：操作数的地址 放在指令中

间接寻址方式：操作数的地址的地址 放在指令中

寄存器寻址方式：寄存器存放操作数

寄存器间接寻址方式：寄存器存放操作数的地址

指令寻址方式

立即寻址方式 (Immediate Addressing) * 操作数（本身）直接在指令中 * 速度 ：速度快，因为操作数可以直接从指令中获取，无需访问内存。
* 灵活性 ：灵活性差，因为操作数是固定的，不能在时改变。
* 帮助理解 ：就像直接告诉计算机一个具体的数值，比如“将5加到当前值上”。

直接寻址方式 (Direct Addressing) * 操作数的地址放在指令中 * 帮助理解 ：相当于告诉计算机一个位置，它会去那个位置取值。例如，“将内存地址为100的值加到当前值上”。

间接寻址方式 (Indirect Addressing) * 操作数的地址的地址放在指令中 * 帮助理解 ：这有点像“接头暗号”，你给计算机一个间接的位置，它会先去找到真正的地址，然后再根据这个地址取值。例如，“将内存地址100中存储的地址所指向的值加到当前值上”。

寄存器寻址方式 (Register Addressing) * 寄存器存放操作数 * 帮助理解 ：直接使用寄存器中的数据。就像“快速通道”，直接从寄存器中取值，效率很高。例如，“将寄存器R1中的值加到寄存器R2上”。

寄存器间接寻址方式 (Register Indirect Addressing) * 寄存器存放操作数的地址 * 帮助理解 ：寄存器中存储的是一个地址，而真正的操作数存储在这个地址所指向的内存位置。这种方式结合了寄存器的快速访问和内存的灵活性。例如，“将寄存器R1中存储的地址所指向的值加到寄存器R2上”。

CISC（Complex Instruction Set Computer）称为复杂指令系统计算机

1)指令系统复杂庞大，指令数目一般为200条以上。

2)指令的长度不固定，指令格式多，寻址方式多。

3)可以访存的指令不受限制。

4)各种指令使用频度相差很大。

5)各种指令执行时间相差很大，大多数指令需多个时钟周期才能完成。

6)控制器大多数采用微程序控制。

7)难以用优化编译生成高效的目标代码程序。

RISC（Reduced Instruction Set Computer）称为精简指令系统计算机

1)选取使用频率最高的一些简单指令，复杂指令的功能由简单指令的组合来实现。

2)指令长度固定，指令格式种类少，寻址方式种类少。

3)只有Load/Store(取数/存数)指令访存，其余指令的操作都在寄存器之间进行。

4)CPU中通用寄存器数量相当多（减少访存次数）。

5)RISC一定采用指令流水线技术，大部分指令在一个时钟周期内完成。

6)以硬布线控制为主，不用或少用微程序控制。（考点：简单指令采用硬布线）

7)特别重视编译优化工作，以减少程序执行时间。

流水线冒险(Pipeline Hazard)

在指令流水线中，可能出现以下三种类型的冒险，降低流水线效率:
数据自险(Data Hazard):当一条指令需要使用另一条指令的结果，而另一条指令的结果尚未准备好时，就会发生数据目险。
结构冒险(Slructural Hazard): 多个指令需要同时使用某个硬件资源，而该资源无法同时服务这些指令，就会发生结构目险。
控制官险(Control Hazard):当分支指令的执行结果尚未确定时，后续的指令流会受到影响，就会发生控制目险。

流水线优化技术

插入气泡(Plpeline Stals): 当出现百险时，可以在流水线中插入一些无操作的周期，以等待数据就绪或解决结构目险。
超标量和动态调度(Superscalar and Dynamic Scheduling): 超标量处理器可以同时执行多个指令，而动态调度技术允许硬件根据时情况重新排序指令执行顺序。
分支预测(Branch Predlctlon): 预测分支指令的结果，以尽量避免控制险。
数据前推(Data Forwarding):将先前指令的执行结果直接传递给后续需要使用的指令，避免数据官险。

流水线的性能提升和限制

性能提升: 流水线可以提高指令吞吐量，使得每个时钟周期都有指令被执行。这在处理大量相互独立的指令时尤为有效。
限制:流水线的性能可能受到目险的影响，尤其是数据和控制目险。目险的解决方式会引入延退，影响整体性能。
指令的流水处理是现代计算机体系结构中常见的设计技术，它通过提高指令吞吐量来增加计算机的性能。然而，合理的指令调度、目险的处理以及硬件结构的优化都是必不可少的，以克服潜在的性能瓶颈。