3、流水线分支相关处理教学课件.pptx

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1、流水线分支相关处理谭志虎1指令流水线的相关、冲突、冒险（hazard）n 资源相关p 争用主存：IF段取指令、ID段取操作数p 争用ALU：多周期方案中计算PC、分支地址，运算指令 p 解决方案：增加部件消除n 分支相关p 控制IF段进行分支跳转p 提前取出的指令作废，流水线清空n 数据相关p 指令操作数依赖于前一条指令的执行结果 ADD $s1, $s2, $s3p 引起流水线停顿直到数据写回 ADD $s4, $s1, $s32分支指令n 无条件分支n 有条件分支#指令类型指令调用格式1R型指令JR、JALR#JR rs2I型指令BEQ、BNEBGTZ(0)，BGEZ(0) ，BLTZ(0

2、)，BLEZ（0）#BEQ rs, rt, offset16 #BGEZ rs, offset163J型指令J、JAL、#JAL target263分支相关流水线时空图ADDSUBI4I5I6I7I8I9ADDI4I5I6I7I8I4I5I7I7I4I5I8I4I5时间tIFIDEXMEM空间sWBI5I4 误取两条指令作废，流水线损失了2TT2T3T4T5T6T7T8T9T0BeqBeqBeqBeqBeq气泡I1误取指令4分支相关CLKCLKCLKIF/IDID/EXALUZeroResultADDADDR1#寄存器文件RD1DinR2#RD2W#MUX01符号扩展MUX01ADDR指令存储

3、器RD4PCEX/MEMMEM/WB左移2位ADDR数据存储器RDWD立即数Write Reg#1632CLKCLKCLKCLK指令MUX01ALU.ResultPC+4ALU.ResultRD1RD2Beq $0,$0,16预取指令MEM.ReadData译码ID执行EX访存MEM写回WB取指令IFsub $3,$1,$2add $3,$1,$2分支目标地址误取指令作废如何清除误取指令？如何清除误取指令？EX.Branch5插入气泡CLKCLKCLKIF/IDID/EXALUZeroResultADDADDR1#寄存器文件RD1DinR2#RD2W#MUX01符号扩展MUX01ADDR指令存

4、储器RD4PCEX/MEMMEM/WB左移2位ADDR数据存储器RDWD立即数Write Reg#1632CLKCLKCLKCLK指令MUX01ALU.ResultPC+4ALU.ResultRD1RD2清空误取指令清空误取指令MEM.ReadData插入气泡气泡：流水接口清零 同步/异步？译码ID执行EX访存MEM写回WB取指令IFBeq $0,$0,16分支目标地址指令nopnopCLKCLKCLKIF/IDID/EXALUZeroResultADDADDR1#寄存器文件RD1DinR2#RD2W#MUX01符号扩展MUX01ADDR指令存储器RD4PCEX/MEMMEM/WB左移2位AD

5、DR数据存储器RDWD立即数Write Reg#1632CLKCLKCLKCLK指令MUX01ALU.ResultPC+4ALU.ResultRD1RD2EX.Branch6异步清零？CLKCLKCLKIF/IDID/EXALUZeroResultADDADDR1#寄存器文件RD1DinR2#RD2W#MUX01符号扩展MUX01ADDR指令存储器RD4PCEX/MEMMEM/WB左移2位ADDR数据存储器RDWD立即数Write Reg#1632CLKCLKCLKCLK指令MUX01ALU.ResultPC+4ALU.ResultRD1RD2预取指令MEM.ReadDatasub $3,$1

6、,$2add $3,$1,$2译码ID执行EX访存MEM写回WB取指令IF异步电平清零异步电平清零Beq $0,$0,16nopnopEX.BranchEX.Branch7时钟到来后CLKCLKCLKIF/IDID/EXALUZeroResultADDADDR1#寄存器文件RD1DinR2#RD2W#MUX01符号扩展MUX01ADDR指令存储器RD4PCEX/MEMMEM/WB左移2位ADDR数据存储器RDWD立即数Write Reg#1632CLKCLKCLKCLK指令MUX01ALU.ResultPC+4ALU.ResultRD1RD2预取指令MEM.ReadDataNext Instr

7、uctionJ 0001nopnopsub $3,$1,$2错误指令EX.Branch译码ID执行EX访存MEM写回WB取指令IF异步清零？异步清零？8分支相关处理逻辑CLKCLKCLKIF/IDID/EXALUZeroResultADDADDR1#寄存器文件RD1DinR2#RD2W#MUX01符号扩展MUX01ADDR指令存储器RD4PCEX/MEMMEM/WB左移2位ADDR数据存储器RDWD立即数Write Reg#1632CLKCLKCLKCLK指令MUX01ALU.ResultPC+4ALU.ResultRD1RD2Beq $0,$0,16预取指令MEM.ReadData译码ID执

8、行EX访存MEM写回WB取指令IFsub $3,$1,$2add $3,$1,$2分支目标地址误取指令作废EX.Branch同步清零分支逻辑：分支逻辑：EXEX段选择段选择IFIF段段PCPC地址地址, ,并给出并给出IF/ID,ID/EXIF/ID,ID/EX清零信号清零信号9分支相关处理策略n 分支指令放在那一段执行？CLKCLKCLKIF/IDID/EXALUZeroResultADDADDR1#寄存器文件RD1DinR2#RD2W#MUX01符号扩展MUX01ADDR指令存储器RD4PCEX/MEMMEM/WB左移2位ADDR数据存储器RDWD立即数Write Reg#1632CLKC

9、LKCLKCLK指令MUX01ALU.ResultPC+4ALU.ResultRD1RD2预取指令MEM.ReadData译码ID执行EX访存MEM写回WB取指令IFEX.Branch4321Beq $0, $0, 16321Beq $0, $0, 1621Beq $0, $0, 161Beq $0, $0, 16分支执行越早，性能损失越小！分支执行越早，性能损失越小！分支指令，是否能在分支指令，是否能在IFIF段执行？段执行？10MIPS延迟槽技术n 分支在ID段执行,相邻指令为延迟槽，无论是否跳转，延迟槽指令必须执行CLKCLKCLKIF/IDID/EXALUZeroResultADDAD

10、DR1#寄存器文件RD1DinR2#RD2W#MUX01符号扩展MUX0ADDR指令存储器RD4PCEX/MEMMEM/WBADDR数据存储器RDWD立即数Write Reg#1632CLKCLKCLKCLK指令MUX01ALU.ResultPC+4ALU.ResultRD1RD2立即数MEM.ReadData译码ID执行EX访存MEM写回WB取指令IF延迟槽指令JAL 16转移目标地址指令延迟槽指令JAL 1611分支相关总结n 指令跳转p IF段重新取新的指令 n 清除误取指令p IF/ID、ID/EX段给出同步清零信号n 分支指令执行阶段？p 越早执行，性能损失越小p MIPS中通常为ID段执行，为了简化中断，重定向机制，可在EX段执行n 分支延迟槽技术p 配合ID段执行分支指令，彻底消除分支带来的流水性能损失p 如何将有用的指令载入延迟槽比较关键p X86中没有分支延迟槽，采用动态分支预测技术12分支相关处理实验n 为流水接口增加气泡逻辑n 实现流水线分支跳转逻辑p 完成EX段分支地址与IF段的数据通路连接p 完成IF段PC输入端多路选择器选择信号的连接p 给出分支相关的气泡逻辑n 在指令存储器中加载分支相关测试.hexn Ctrl+k驱动自动仿真后，程序停机n 程序效果：LED显示区倒计数到零停止谭志虎下节课再见s t a n h u s t . e d u . c n