[科普中國(guó)]-先行控制

先行控制的處理機(jī)結(jié)構(gòu)(如圖1所示)1包括三個(gè)獨(dú)立的控制器和四個(gè)緩沖棧。其中，控制器分別為：存儲(chǔ)控制器、指令分析器、運(yùn)算控制器；緩沖棧分別為：先行指令緩沖棧、先行讀數(shù)棧、先行操作棧、后行寫數(shù)棧。

先行控制是指在處理機(jī)內(nèi)部設(shè)置一定容量的指令緩沖棧，把指今分折器所需要的指令事先取到指令緩沖棧中，而不必訪問主存儲(chǔ)器。這樣，就能夠使取指令、分析指令和執(zhí)行指令重疊起來執(zhí)行。如果指令分析器每次都能夠在先行指令緩沖棧中得到，則取指令只需要很短的時(shí)間就能夠完成，因此，可以把指令與分析指令合并到一起，從而構(gòu)成圖2所示的一次重疊執(zhí)行方式。

如果分析指今和執(zhí)行指今所需要的時(shí)間都是t，則采用一次重疊執(zhí)行方式連續(xù)執(zhí)行n條指令所需要的時(shí)間為：T=(1+n)t。

先行指令緩沖棧作為主存儲(chǔ)器與指令分析器之間的一個(gè)緩沖部件，用它來平滑主存儲(chǔ)器和指令分析器的工作。當(dāng)指令分析器分析某一條指令所需要的時(shí)間比較長(zhǎng)，或者主存儲(chǔ)器有空閑時(shí)，就從主存儲(chǔ)器中多取出幾條指令存放在先行指令緩沖棧中。而當(dāng)指令分析器分析指令很快，或者主存儲(chǔ)器比較忙時(shí)，指令分析器也能夠從先行指令緩沖棧中得到所需要的指令。

指令分析器對(duì)已經(jīng)存放在先行指令緩沖棧里的指令進(jìn)行預(yù)處理，把處理機(jī)后的指令送入先行操作棧。對(duì)于無(wú)條件轉(zhuǎn)移及條件轉(zhuǎn)移等程序控制指令，一般在指令分析器中就能夠直接執(zhí)行。各種運(yùn)算型指令、移位指令、數(shù)據(jù)傳送指令等都要先處理成寄存器-寄存器型(RR型指令)，然后送入先行操作棧。為了與指令系統(tǒng)中原有的RR型指令相區(qū)別，通常把送入先行操作棧中的指令稱為RR*型指令。

先行操作棧是指令分析器和運(yùn)算控制器之間的一個(gè)緩沖存儲(chǔ)器。指令分析器每預(yù)處理完一條指令，就把形成的RR*型指令送入先行操作棧，使得指令分析器能夠繼續(xù)對(duì)后續(xù)的指令進(jìn)行預(yù)處理。每當(dāng)運(yùn)算器執(zhí)行完一條RR*型指令，就由運(yùn)算控制器從先行操作棧中取出下一條RR*型指令。有了這個(gè)緩沖存儲(chǔ)器，指令分析器和運(yùn)算器就能夠各自完成獨(dú)立的工作。先行操作棧采用先進(jìn)先出方式工作，它由一個(gè)先行指令寄存器堆和有關(guān)控制邏輯等組成。先行讀數(shù)棧是主存儲(chǔ)器與運(yùn)算器之間的一個(gè)緩沖存儲(chǔ)器，用來平滑運(yùn)算器與主存儲(chǔ)器的工作。

先行讀數(shù)棧由一個(gè)緩沖寄存器和有關(guān)控制邏輯等組成。每一個(gè)緩沖寄存器由三個(gè)部分組成，包括先行地址緩沖寄存器、先行操作數(shù)緩沖寄存器和標(biāo)志字段。每當(dāng)先行地址緩沖寄存器收到從指令分析器中送來的有效地址，就把地址的有效標(biāo)志置位，并開始向主存儲(chǔ)器申請(qǐng)讀操作數(shù)。從主存儲(chǔ)器讀出的操作數(shù)可以存放在先行讀數(shù)棧的操作數(shù)緩沖寄存器中，也可以覆蓋掉原來的先行地址寄存器中的地址，同時(shí)要置位數(shù)據(jù)有效標(biāo)志。先行讀數(shù)棧一般也采用先進(jìn)先出方式工作。設(shè)置了先行讀數(shù)棧后，運(yùn)算器能夠直接從先行讀數(shù)棧中取得所需要的操作數(shù)，而不必等待訪問主存儲(chǔ)器。這樣，指令的執(zhí)行速度就能夠大大加快。

后行寫數(shù)棧是主存儲(chǔ)器與運(yùn)算器之間的一個(gè)緩沖存儲(chǔ)器。如果在指令分析器中遇到向主存儲(chǔ)器的“寫數(shù)”指令，則把形成的有效地址送入后行寫數(shù)棧的后行地址緩沖寄存器中，并把預(yù)處理好的RR*型指令送入先行操作棧。當(dāng)然，這條RR*型指令中的目標(biāo)寄存器就是后行寫數(shù)棧的緩沖寄存器編號(hào)。當(dāng)運(yùn)算器執(zhí)行這條RR*型寫數(shù)指令時(shí)，只要把寫到主存中去的數(shù)據(jù)送到后行寫數(shù)棧的后行數(shù)據(jù)緩沖寄存器中即可，由后行寫數(shù)棧負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)寫回到主存儲(chǔ)器。這樣，運(yùn)算器不必等待數(shù)據(jù)寫回到主存，就可以繼續(xù)執(zhí)行后行的指令。

1、在主存空閑時(shí)，即從主存中取出指令放入先行指令緩沖棧，以供指令分析器使用。預(yù)取先行指令緩沖棧遵循先進(jìn)先出。指令分析器對(duì)緩沖棧中的指令進(jìn)行預(yù)處理，并送入先行操作棧。

2、對(duì)于運(yùn)算類的指令--則要處理成RR型的指令。如果指令本身就是RR型，則不作任何處理；如果是RS型，則分析器計(jì)算出操作數(shù)有效地之后送入先行讀數(shù)?；蚝笮袑憯?shù)棧的地址寄存器，并將對(duì)應(yīng)的地址寄存器的編號(hào)代替指令中的主存地址后送入先行操作棧；如果是RI型，則將立即數(shù)送入先行讀數(shù)棧的操作數(shù)寄存器，并用此寄存器的編號(hào)代替指令中的立即數(shù)字段。這樣，所有的運(yùn)算類指令執(zhí)行時(shí)都將訪問寄存器，加快運(yùn)算速度。

3、每當(dāng)先行讀數(shù)棧收到分析器送來的有效地之后，即將地址有效標(biāo)志位置位，并向主存申請(qǐng)讀操作數(shù)，取得的操作數(shù)放入對(duì)應(yīng)的先行操作數(shù)緩沖寄存器中，并置數(shù)據(jù)有效標(biāo)志位，做廢剛才的地址有效標(biāo)志位，以供相應(yīng)的指令使用操作數(shù)。
　　4、每當(dāng)后行寫數(shù)棧收到分析器送來的有效地之后，即將地址有效標(biāo)志位置位；這樣，當(dāng)相應(yīng)的運(yùn)算類指令執(zhí)行完畢后不再馬上寫主存，而是先送入相應(yīng)的后行寫數(shù)據(jù)緩沖寄存器中，并置數(shù)據(jù)有效標(biāo)志位?？刂破髯詣?dòng)根據(jù)相應(yīng)的后行寫地址緩沖寄存器中的地址向主存發(fā)出寫請(qǐng)求。

采用先行控制技術(shù)的關(guān)鍵是緩沖技術(shù)和預(yù)處理技術(shù)。

1、緩沖技術(shù)：在工作速度不固定的兩個(gè)功能部件之間設(shè)置緩沖棧，用以平滑功能部件之間的工作速度。

2、預(yù)處理技術(shù)：將進(jìn)入運(yùn)算器的指令均處理成RR型指令，而某些棧為其提供所需的操作數(shù)（先行讀數(shù)棧、后續(xù)寫數(shù)棧），這樣運(yùn)算器在進(jìn)行預(yù)算時(shí)無(wú)需訪問存儲(chǔ)器，從而加快速度。

在采用先行控制方式的處理機(jī)中，一個(gè)程序的執(zhí)行情況如下表所示。