1、指令流水线基本概念教学课件.pptx

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1、指令流水线基本概念谭志虎1单周期MIPS关键路径 -LW指令CLK指令字4PC+420:1625:21Sign ExtendSignImm01012+PCBranchSrcBSrcAALUResultWriteDataReadDataWriteBackData+BranchAddressCLKPC+4rsrtrdCLK指令字4PC+420:1625:2115:1115:0SignImm+PCBranchSrcAALUResultWriteDataReadDataWriteBackData+BranchAddressPC+4rsrtALU0101RDA指令存储器ALU01Tclk_to_qTre

2、gfile_readTmemTaluTmemTmuxTsetupR1#R2#W#WDWE寄存器堆R1R2CLKRDA指令存储器Sign ExtendWERDA数据存储器WDPCPC性能取决于最慢的指令，时钟周期过长2MIPS CPU实现方案n 单周期方案p 性能受限于最慢的指令p 结构简单，实现容易n 多周期方案p 传统多周期u 提升性能，复用器件u 异步控制，变长指令周期p 指令流水线u 多指令并行，提升性能u 部件并发3单周期指令运行动态IFIFIDIDEXEXMEMMEMWBWBI1取指译码执行访存写回n 数据通路细分为5段，总时长为1个时钟周期=5Tp 取指令 IF (Instruct

3、ion Fetch)p 指令译码 ID (Instruction Decode)p 执行运算 EX (Execution)p 访存阶段 MEMp 结果写回 WB (Write Back)4单周期时空图I2I1时间tIFIDEXMEM空间sI2I1I1I1I1I2I2I2WBI1T2T3T4T5T6T7T8T9T10T0 完成n条指令需要 5nTI25多周期指令运行动态IFIFIDIDEXEXMEMMEMWBWBlw取指译码执行访存写回addswn 数据通路细分为5段，可复用功能部件p LW指令5个时钟周期p BEQ指令 3个时钟周期p ADD指令4个时钟周期p J指令 3个时钟周期6多周期时空

4、图Iw时间tIFIDEXMEM空间sIwIwIwIwbeqbeqbeqWBaddaddaddaddI3I2T2T3T4T5T6T7T8T9T10T011T12T 完成n条指令时间与指令有关I17流水线指令运行动态IFIFIDIDEXEXMEMMEMWBWBI3I2I1取指译码执行访存写回n 数据通路细分为5段，各段完全并发p 取指令 IF (Instruction Fetch)p 指令译码 ID (Instruction Decode)p 执行运算 EX (Execution)p 访存阶段 MEMp 结果写回 WB (Write Back)8指令流水线时空图I1I2I3I4I5I6I7I8I9

5、I1I2I3I4I5I6I7I8I1I2I3I4I5I7I7I1I2I3I4I5I8I1I2I3I4I5时间tIFIDEXMEM空间sWBI5I1I2I3I4完成n条指令的时间=完成第一条指令时间5T+(n-1)*T=(n+4)TT2T3T4T5T6T7T8T9T09理想流水线n 适用范围p 工业自动化流水线p 指令流水线？n 理想流水线特征p 阶段数相同：所有加工对象均通过同样的工序（阶段） 不同指令阶段数不同p 段时延相同：各段传输延迟一致，不能有等待现象，取最慢的同步 取指，访存段最慢p 无资源冲突：不同阶段之间无共享资源，各段完全并发 取指令、取数存在内存争用p 无段间互锁：进入流水线

6、的对象不受其他阶段的影响 多条指令间存在相关和依赖uMicroprocessor without interlocked piped stages（MIPS）10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 提前取出的指令作废，流水线清空p 流水线发生中断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, $s3谭志虎下节课再见s t a n h u s t . e d u . c n