1、2021/8/61流水線處理機及其設計流水線處理機及其設計2021/8/626.1 引言引言S: 性能加速比I: 一個程序被執行的總的指令條數CPI: 每條指令總體平均所需的時鐘周期數CPInp:非流水線處理機的CPICPIp: 流水線處理機的CPIm: 一條指令執行分成級T: 每個時鐘周期的時間長度2021/8/632021/8/641234512345123451234512345123452021/8/65123451234512345123451234511212311221234523334445562021/8/66指令系統指令系統2021/8/672021/8/682021/8/

2、692021/8/6106.2.1 流水線級 6.2 流水線處理機的數據路徑流水線處理機的數據路徑2021/8/611 2021/8/6122021/8/613流水線是m級每一級的時間是t執行n條指令 寫出非流水線操作時，所需時間公式1.寫出流水線操作時，所需時間公式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)=m2021/8/614Add rd,rs1,rs2;Addi rd,rs1,immeStore rd,rs1,immeLoad rd,rs1,imme2021/8/615

3、6.2.2 流水線各級的操作1.IF 級2.ID級3. EXE級4.MEM 級5.WB 級2021/8/6162021/8/6172.ID級2021/8/6183. EXE級2021/8/6194.MEM 級2021/8/6205.WB 級2021/8/6210：Add r1,r2,r3;1：Sub r4,r5,r6;2：And r7,r8,r9;3：Addi r10,r11,45;4：Ori r12,r13,43;2021/8/622Load rd,rs1,rs2;Load rd,rs1,imme;2021/8/623Store rd,rs1,imme;2021/8/6246.3.1 算術操

4、作和存儲器訪問控制 6.3 流水線處理機的控制流水線處理機的控制2021/8/625R1load rd,(rs1)2021/8/658寄存器堆有兩個寫端口2021/8/659改造load rd，(imm)rs1=load rd,(rs1)2021/8/660讀寄存器相關 現象 解決辦法2021/8/661現象store rd,(rs1,rs2)2021/8/662解決辦法2021/8/6636.5 數據相關及解決辦法 6.5.1 數據相關問題(現象) 6.5.2 暫停數據相關流水線 6.5.3 提高流水線處理機的性能- 內部前推 6.5.4 處理load指令- 暫停與內部前推想結合 2021/

5、8/6646.5.1 數據相關數據相關2021/8/6652021/8/6662021/8/6676.5.2 暫停數據相關流水線2021/8/6682021/8/669檢測出數據相關DEPEN=A_DEPEN+B_DEPENA_DEPEN=EXE_A_DEPEN+MEM_A_DEPEN2021/8/6702021/8/671暫停流水線要做以下3件事情 封鎖當前正在譯碼的指令的寫控制信號； 不把從存儲器取來的下一條指令打入IR； 不改變當前PC值。2021/8/6722021/8/6732021/8/6746.5.3 提高流水線處理機的性能內部前推2021/8/6752021/8/6761.轉移

6、指令或存儲指令2.轉移指令或存儲指令3.任意指令不相關1.非轉移指令或存儲指令2.轉移指令或存儲指令3.任意指令4.不相關1.非轉移指令或存儲指令2.轉移指令或存儲指令3.任意指令相關2021/8/6772021/8/6782021/8/6792021/8/6802021/8/6816.5.4 處理load指令-暫停與內部前推想結合2021/8/6822021/8/6832021/8/6842021/8/6852021/8/6866.6 轉移相關及解決辦法6.6.1 轉移相關問題2021/8/6872021/8/688解決轉移相關問題 暫停流水線； 假定轉移不發生； 延遲轉移。2021/8/6896.6.2 暫停流水線2021/8/6902021/8/