淺析流水線沖突及解決方案

1、淺析流水線沖突及解決方案目錄1、流水線的概念2、流水線的分類3、經(jīng)典的5段流水線4、指令相關(guān)5、流水線沖突與解決方案1、流水線的概念流水線：把一個(gè)重復(fù)的過(guò)程分解為若干子過(guò)程，每個(gè)子過(guò)程由專門的功能部件來(lái)實(shí)現(xiàn)。將多個(gè)處理過(guò)程在時(shí)間錯(cuò)開，依次通過(guò)各功能段，每個(gè)子過(guò)程就可以與其他子過(guò)程并行進(jìn)行。2、流水線的分類（1）按照流水線完成的功能來(lái)分類單功能流水線 多功能流水線（2）按照流水線中是否有反饋回路分類線性流水線 非線性流水線2、流水線的分類（3）按照任務(wù)流入流出的順序是否相同分類順序流水線 亂序流水線（4）按照流水線級(jí)別分類部件級(jí)流水線 處理機(jī)級(jí)流水線 處理機(jī)間流水線3、經(jīng)典5段流水線 IMReg

2、DMRegALUIF段ID段EX段MEM段WB段流水寄存器（1）取指令周期（IF）:根據(jù)PC指示的地址從存儲(chǔ)器中取出指令并放入指令寄存器IR，同時(shí)PC值加4，指向順序的下一條指令。（2）指令譯碼/讀寄存器周期（ID）：對(duì)指令進(jìn)行譯碼，并用IR中的寄存器編號(hào)去訪問(wèn)通用寄存器組。（3）執(zhí)行/有效地址計(jì)算周期（EX）：AUL對(duì)在上一周期準(zhǔn)備好的操作數(shù)進(jìn)行運(yùn)算或處理。3、經(jīng)典5段流水線（4）存儲(chǔ)器訪問(wèn)/分支完成周期（MEM）load和store指令Load指令：用上一周期計(jì)算出的有效地址從存儲(chǔ)器中讀取相應(yīng)數(shù)據(jù)。Store指令：把指定數(shù)據(jù)寫入此有效地址所指出的存儲(chǔ)單元。分支指令若前一周期判定該分支成功，

3、就把轉(zhuǎn)移目標(biāo)地址送入PC。（5）寫回周期（WB）：ALU運(yùn)算指令和load指令在這個(gè)周期會(huì)把結(jié)果數(shù)據(jù)寫入通用寄存器。4、指令相關(guān)相關(guān)：指兩條指令之間存在某種依賴關(guān)系。3種類型：數(shù)據(jù)相關(guān)、名相關(guān)、控制相關(guān)（1）數(shù)據(jù)相關(guān)依次存在兩條指令i（在前）和j（在后），若指令j使用指令i產(chǎn)生的結(jié)果或指令j與k數(shù)據(jù)相關(guān)，而k又與指令i數(shù)據(jù)相關(guān)，則稱j與i數(shù)據(jù)相關(guān)。4、指令相關(guān)（2）名相關(guān)名：指指令所訪問(wèn)的寄存器或存儲(chǔ)單元名稱。名相關(guān)：指兩條指令使用的名相同，但沒有數(shù)據(jù)流動(dòng)，則稱它們名相關(guān)。4、指令相關(guān)（3）控制相關(guān)控制相關(guān)是指由分支指令引起的相關(guān)。它需要根據(jù)分支指令的執(zhí)行結(jié)果來(lái)確定后續(xù)指令是否執(zhí)行。一般說(shuō)來(lái)，

4、為確保程序應(yīng)有的執(zhí)行順序，必須嚴(yán)格按控制相關(guān)確定的順序執(zhí)行5、流水線沖突及解決方案流水線沖突：指對(duì)于具體的流水線來(lái)說(shuō)，由于相關(guān)的存在，使得指令流中的下一條指令不能在特定的時(shí)鐘周期執(zhí)行。流水線沖突有三種類型：結(jié)構(gòu)沖突、數(shù)據(jù)沖突、控制沖突。5、流水線沖突及解決方案（1）結(jié)構(gòu)沖突定義：因硬件資源滿足不了指令重疊執(zhí)行的要求而發(fā)生的沖突。解決方案：a、可以在前一個(gè)指令訪問(wèn)存儲(chǔ)器時(shí)，將流水線停頓一個(gè)時(shí)鐘，推遲后面取指令的操作。停頓周期稱為“流水線氣泡”。b、在流水線處理機(jī)中設(shè)置相互獨(dú)立的指令。存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器5、流水線沖突及解決方案指令編指令編號(hào)號(hào)時(shí)鐘周期時(shí)鐘周期12345678910指令iIFIDEXMEMWB指令i+1IFIDEXMEMWB指令i+2IFIDEXMEMWB指令i+3stallIFIDEXMEMWB指令i+4IFIDEXMEM指令i+5IFIDEXMEM指令停頓表5、流水線沖突及解決方案（2）數(shù)據(jù)沖突定義：當(dāng)指令在流水線重疊執(zhí)行時(shí)，因需要用到前面的執(zhí)行結(jié)果而發(fā)生的沖突。分類：寫后讀沖突、寫后寫沖突、讀后寫沖突。解決方案：通過(guò)定向技術(shù)減少數(shù)據(jù)沖突引起的停頓。設(shè)置流水線互鎖機(jī)制。5、流水線沖突及解決方案依靠編譯器解決數(shù)據(jù)沖突5、流水線沖突及解決方案（3）控制沖突定義：流水線遇到分支指令和其他會(huì)改變PC值的指令所引起的沖突。解決方案：最簡(jiǎn)單的方法是“凍