華理組成原理-4.5流水線概述

4.5流水線概1流水線效率的提流水線：一種實(shí)現(xiàn)多條指 執(zhí)行的技術(shù)2=8/3.5==2n/(0.5n+1.5)≈

2MIPS指令的五個(gè)處理步IF(Instructionfetch):從指 器中取IDInstructiondecode)EXExecuteMEM:從數(shù) WBWriteresultback)Cycle

Cycle

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Cycle

Cycle3單周期與流水InstrALU1001001001001001004(Tc(Tc(Tc5 4）本例獲得的加速比加速比= ≈CPI*CC*IC，一個(gè)5級(jí)流水線的CC接近非流水線的6例2：lw、sw、R型指

Cycle

Cycle3Cycle

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CycleR-

改善吞吐率（單位時(shí)間內(nèi)完成的任務(wù)數(shù)） CycleCycle單周期CycleCycle流水8如果所有流水級(jí)操作平衡（時(shí)間相同Timebetween=TimebetweeninstructionsnonpipelinedNumberofstages加速比=無流水線指令的執(zhí)行時(shí)間/有流水線指令的執(zhí)行≈流水線級(jí)（理想情況下若不平衡，則加速比要降9面向流水線的指令集設(shè)(32可以在第二級(jí)譯碼的同時(shí)讀寄存器（見P204圖4-面向流水線的指令集設(shè)訪存操作僅在load和store指可以在第3步執(zhí)行操作（加減等）或計(jì)算內(nèi)存地觀察：lw，sw指令僅僅訪存，并無加減等運(yùn)算操 而指令有可能（4圖-37）儲(chǔ)器，所以第三步要一分為二：計(jì)算訪存地址，訪面向流水線的指令集設(shè)每個(gè)指令產(chǎn)生至多1個(gè)需要寫的結(jié)果（即改變計(jì)算機(jī)狀態(tài)），并在最后一步完成：MEMWB 字需訪存兩次 流水 （結(jié) 結(jié)兩個(gè)不同的指令同 數(shù)數(shù)據(jù)/指令使用同一 器會(huì)導(dǎo)致結(jié)Time(clock nt Instt Instrd

Readingdatafrom InstrInst

Readingfrom

使用分開的指 器和數(shù) 流水 （數(shù) 數(shù)比較理想的情

Time(clock addnt Instt

期的后半周，以免寄存器堆的 Instrd

這類數(shù) addr

clockedgethatcontrolsregisterwriting

clockedgethatcontrolsloadingofpipelinestate 不太理想的情況（造成阻塞$t2,$s0,例：$t2,$s0,轉(zhuǎn)發(fā)（旁路 裝載-使用型數(shù)轉(zhuǎn)發(fā)不能避免所有的流水線阻重新安排代碼以避免阻重新安排代碼避免在load指令后load的結(jié)C代碼：ABECBlw$t1,0($t0)lw$t2,4($t0)add$t3,$t1,$t2sw$t3,12($t0)lw$t4,8($t0)add$t5,$t1,$t4sw$t5,16($t0)

lw$t1,0($t0)lw$t2,4($t0)lw$t4,8($t0)add$t3,$t1,$t2sw$t3,12($t0)add$t5,$t1,$t4sw$t5,16($t0)13 111311流水 ：控 （分 分支引起的控 ns Instrd Instr

解決方法一：遇到分支就阻等待分支指令的輸出，再取指。（慢在MIPS流水線，在ID阻塞對(duì)分支性能的影響。P209，CPI=Time(clock Instnt Instt Instrd Instr

一旦流水線填令，所以CPI1Inst

Timetofillthe

解決方法2：總是預(yù)測分支未發(fā)更 分支預(yù)測方根據(jù)典型的 為預(yù)例如循環(huán)和if預(yù)測向預(yù)測向若預(yù)測錯(cuò)誤，阻塞并重新取正確的指令，同時(shí)更新歷史延遲分指令（透明 Pipeline小流水線通過改善吞吐率改善性加速比:CPI≈1但CC快了許多流水線時(shí)鐘周期受限于最慢的流水