第六章-流水線處理機(jī)及其設(shè)計(jì)

6流水線處理機(jī)及其設(shè)計(jì)6.1引言S:性能加速比I:一個(gè)程序被執(zhí)行的總的指令條數(shù)CPI:每條指令總體平均所需的時(shí)鐘周期數(shù)CPInp:非流水線處理機(jī)的CPICPIp:流水線處理機(jī)的CPIm:一條指令執(zhí)行分成級(jí)T:每個(gè)時(shí)鐘周期的時(shí)間長(zhǎng)度12345123451234512345123451234512345123451234512345123451121231122123452333444556指令系統(tǒng)6.2.1流水線級(jí)

6.2流水線處理機(jī)的數(shù)據(jù)路徑

流水線是m級(jí)每一級(jí)的時(shí)間是t執(zhí)行n條指令寫出非流水線操作時(shí)，所需時(shí)間公式寫出流水線操作時(shí)，所需時(shí)間公式1.T=nmt2.T=mt+(n-1)t3.S=流水線性能/非流水線性能

=nmt/(mt+(n-1)t)=nm/(m+n-1)=m/(m/n-1/n+1)=mAddrd,rs1,rs2;Addird,rs1,immeStorerd,rs1,immeLoadrd,rs1,imme6.2.2流水線各級(jí)的操作1.IF級(jí)2.ID級(jí)3.EXE級(jí)4.MEM級(jí)5.WB級(jí)2.ID級(jí)3.EXE級(jí)4.MEM級(jí)5.WB級(jí)0：Addr1,r2,r3;1：Subr4,r5,r6;2：Andr7,r8,r9;3：Addir10,r11,45;4：Orir12,r13,43;Loadrd,rs1,rs2;Loadrd,rs1,imme;Storerd,rs1,imme;6.3.1算術(shù)操作和存儲(chǔ)器訪問控制

6.3流水線處理機(jī)的控制R1<=r2+4

6.3.2流水線轉(zhuǎn)移指令控制bne

disp(branchonnotequaltozero)

IfZ,pc=pc+dispbeq

disp(branchonequaltozero)

IfZ,pc=pc+dispbranchdisp(unconditionalbranch)pc=pc+dispSubr1,r1,1;nop;bneloop;nop;…branchti;nop;Subrd,rs1,rs2;Bne

dispLoad….Add…..

6.3.3流水線各級(jí)信號(hào)的產(chǎn)生流水線中的相關(guān)及解決辦法結(jié)構(gòu)相關(guān)問題數(shù)據(jù)相關(guān)問題轉(zhuǎn)移相關(guān)問題6.4結(jié)構(gòu)相關(guān)及解決辦法存儲(chǔ)器相關(guān)寫寄存器相關(guān)讀寄存器相關(guān)存儲(chǔ)器相關(guān)現(xiàn)象解決辦法現(xiàn)象解決辦法寫寄存器相關(guān)現(xiàn)象解決辦法現(xiàn)象現(xiàn)象解決辦法ALU指令用5個(gè)周期寄存器堆有兩個(gè)寫端口改造loadrd，(imm)rs1=>loadrd,(rs1)寄存器堆有兩個(gè)寫端口改造

loadrd，(imm)rs1=>loadrd,(rs1)

讀寄存器相關(guān)現(xiàn)象解決辦法現(xiàn)象storerd,(rs1,rs2)解決辦法6.5數(shù)據(jù)相關(guān)及解決辦法6.5.1數(shù)據(jù)相關(guān)問題(現(xiàn)象)6.5.2暫停數(shù)據(jù)相關(guān)流水線6.5.3提高流水線處理機(jī)的性能---

內(nèi)部前推6.5.4處理load指令----

暫停與內(nèi)部前推想結(jié)合

6.5.1數(shù)據(jù)相關(guān)6.5.2暫停數(shù)據(jù)相關(guān)流水線檢測(cè)出數(shù)據(jù)相關(guān)DEPEN=A_DEPEN+B_DEPENA_DEPEN=EXE_A_DEPEN+MEM_A_DEPEN暫停流水線要做以下3件事情封鎖當(dāng)前正在譯碼的指令的寫控制信號(hào)；不把從存儲(chǔ)器取來的下一條指令打入IR；不改變當(dāng)前PC值。6.5.3提高流水線處理機(jī)的性能內(nèi)部前推1.轉(zhuǎn)移指令或存儲(chǔ)指令2.轉(zhuǎn)移指令或存儲(chǔ)指令3.任意指令不相關(guān)1.非轉(zhuǎn)移指令或存儲(chǔ)指令2.轉(zhuǎn)移指令或存儲(chǔ)指令3.任意指令4.不相關(guān)1.非轉(zhuǎn)移指令或存儲(chǔ)指令2.轉(zhuǎn)移指令或存儲(chǔ)指令3.任意指令相關(guān)6.5.4處理load指令----暫停與內(nèi)部前推想結(jié)合6.6轉(zhuǎn)移