📝本文介绍
本文主要内容位计算机系统结构的重叠方式
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文章目录
📕重叠原理
📖顺序执行和重叠执行
在几乎所有的冯诺依曼体系计算机中，一条指令从开始到执行完毕，大致可以分为5个阶段：取指，译码，执行，访存，写回。
在这里，我们将其暂时分为三个阶段：取值，译码，执行。
顺序执行：一条指令完整的执行完之后，才可以让下一条指令开始取指。也就是指令之间是串行的关系。在我们执行第k条指令时，必须将第k条指令的三个阶段完整执行完，才可以取出下一条指令开始执行。
重叠执行：在解释第k条指令的操作完成之前，就可开始解释第k+1条指令。也就是，第k条指令进入译码阶段时，就可以开始第k+1指令的取值，从而达到不同阶段重叠，加快多条指令的运行。
注意：重叠执行并不能加快一条指令的解释，但能加快相邻两条乃至一段程序的解释
📘一次重叠及问题解决
📖一次重叠
一次重叠，将一条指令的解释分为两部分：分析和执行，这样再执行过程中，就只会有分析和指令这两部分的重叠，且只重叠一次。
📖时间重叠问题及解决
🔖访存冲突
- 将指令与数据分开存放在单独的存储器中（哈佛结构）
- 混存，采用多体交叉存储结构。也就是对存储器内部区域进行重新规划，连续的地址分开存放。
- 增设指令缓冲寄存器
🔖部件数量
- 在重叠执行中，希望分割成多个小步骤实现流水，必须有独立的指令分析部件和指令执行部件。也就是，需要有足够的硬件数量来支持一条指令多个部分的同时进行。才不会出现两个重叠的步骤需要使用同一个部件的情况。（若是出现此情况，那么大多数情况下这两个步骤也不能分开，强行分开了也没用，后步骤仍然要等先步骤把事情做完，本质上还是串行。）
🔖步骤处理时间
- 步骤之间的时间不可能完全相同，若是先步骤比后步骤的时间长，那么流水线仍能建立，先步骤做完，后步骤马上就可以处理。若是先步骤比后步骤时间短，那么后步骤就会出现时间来不及的问题。先步骤处理完，但是后步骤还未处理好上一条指令，这时就会出现流水中断。流水线由于这个后步骤的时间原因，需要中断等待后步骤处理完。
- 解决方法：先行控制方式。先行控制是指在处理机内部设置一定容量的指令缓冲栈，把指今分折器所需要的指令事先取到指令缓冲栈中，而不必访问主存储器。这样，就能够使取指令、分析指令和执行指令重叠起来执行。（这里也就是一次重叠了。）
🔖转移指令
- 转移指令对于计算机执行来说，是一个较大的问题。从PC寄存器的工作方式，我们也可以看出，每次+1取指。当出现跳转时，就需要重新计算PC，重新取指。若不做任何处理，当出现转移指令时，就会浪费一个时钟周期。
- 解决方式：延迟转移技术。假设，第k+1条指令为转移指令（跳转到k+5），第k指令为与k+1条指令无关的指令，则可以将转移指令提前，也就是第k+1条先解释。而第k条指令是一定要执行的，这样就不会浪费第k+2条指令的分析周期时间
📙相关处理
📖数相关
🔖主存空间数相关
原因：相邻两条指令之间要求对主存同一单元先写入而后再读出的关联。（也就是后一条指令涉及了前一步骤的处理数。）
解决方法：延迟。等待上一步骤执行完，将数写入后，再读出，才会是最新数据。
🔖通用寄存器数相关
- 通用寄存器组数相关
- 延迟
- 增加相关专用通路（计算完毕后，通过相关专用通路可以直接把数据也如到对应的寄存器）
- 通用寄存器组变址或基址相关（也就是前一步的计算会涉及到后一步对操作数地址的改变）
- 这里会涉及一次相关和二次相关。一次相关指的是，与下一条指令计算地址有关，二次相关指的是与该指令往后第二条指令有关。一次相关没有好办法，只能延迟。而二次相关就可以采用设置相关专用通路的方法，直接送入对应寄存器，从而不用推迟。
- 延迟（推后分析法）
- 设置相关专用通路
📖指令相关
原因：冯诺曼型机器的指令允许修改
解决方法：
- 程序执行过程中不允许修改指令
- 改变指令的执行方式，采用“执行” 指令将指令相关改成数相关。
