利用管路增加效能

1、第六章 利用管路增加效能頁 計算機組織與設(shè)計-軟硬體介面第六章 利用管路增加效能頁 計算機組織與設(shè)計-軟硬體介面1n管路管路 是一種製作技巧，它可以重疊指令的執(zhí)行。 (圖 6.1)n 4個階段的管路 (所有的階段都花費同樣的時間) 對於非管路而言，花費16個單位時間 對於管路而言，花費7個單位時間n 一個工作的執(zhí)行時間不會較管路來的短n 因為使用管路技巧而提升的速度很可能相當(dāng)於管路的階段數(shù)目第六章 利用管路增加效能頁 計算機組織與設(shè)計-軟硬體介面2第六章 利用管路增加效能頁 計算機組織與設(shè)計-軟硬體介面3n一般來說，MIPS的指令分成下面五個管路階段： 從指令記憶體中擷取指令 當(dāng)對指令進(jìn)行解碼

2、時，讀取暫存器的值 執(zhí)行運算 (R-型)，或計算一個位址 (存取記憶體) 存取在記憶體中的運算元 將結(jié)果寫回暫存器中n MIPS指令以管路方式執(zhí)行須五個階段第六章 利用管路增加效能頁 計算機組織與設(shè)計-軟硬體介面4 指令種類指令種類指令擷取指令擷取 暫存器暫存器 讀取讀取ALU運算運算 資料資料 存取存取暫存器暫存器 寫入寫入 總共總共 時間時間載入指令(lw)2 ns1 ns2 ns2 ns1 ns8 ns儲存指令(sw)2 ns1 ns2 ns2 ns 7 nsR型態(tài)指令(add、sub、and、or、slt)2 ns1 ns2 ns 1 ns6 ns分支指令(beq)2 ns1 ns2

3、ns 5 nsn範(fàn)例. 單一時脈週期指令及管路效率的比較n (1) 單一時脈，非管路化的執(zhí)行結(jié)果:n 單一指令執(zhí)行時間 = 8 nsn 三個指令的執(zhí)行時間 = 3*8 = 24 nsn (2) 管路執(zhí)行結(jié)果:n 所有的管路階段花費相同的時間 (單一時脈週期)n 時脈週期必須夠長以配合最慢的指令n 階段長度 = 2 nsn 執(zhí)行時間 = 7*2 = 14 ns第六章 利用管路增加效能頁 計算機組織與設(shè)計-軟硬體介面5Fig 6.3 Single-cycle, non-pipelined execution in top vs. pipelined execution in bottomn若有分支

4、指令呢? 在管路終將會有洞產(chǎn)生第六章 利用管路增加效能頁 計算機組織與設(shè)計-軟硬體介面6n管路危障 在管路化中，不能順利的在下一個時脈週期執(zhí)行下一個指令，這種情形稱之為危障。. n三種不同形態(tài)的危障 結(jié)構(gòu)危障 控制危障 資料危障 1.結(jié)構(gòu)危障 硬體資源不夠多，而導(dǎo)致在同一時間內(nèi)要執(zhí)行的多個指令卻無法執(zhí)行。 範(fàn)例n假設(shè)我們只有單一記憶體而不是擁有兩個分離的記憶體，如果在圖6.3管路中有第四個指令，在某一時脈週期，第一個指令正在存取記憶體的同時，第四個指令也在同一記憶體中擷取指令，也就是兩個記憶體對同一個記憶體同時進(jìn)行存取動作，此一狀況稱之為結(jié)構(gòu)危障。第六章 利用管路增加效能頁 計算機組織與設(shè)計-

5、軟硬體介面72. 控制危障 n發(fā)生在其他指令正在執(zhí)行時，需要依據(jù)另一指令的結(jié)果來做出一些決定的時候就會發(fā)生控制危障。n範(fàn)例: 圖6.4 的lw指令n解決方式 1: 暫停 假設(shè)我們有足夠的硬體，所以可以在第二個管路階段中測試暫存器、計算分支位址、並更新PC值。 指令 lw 被額外暫停了 2-ns 的時脈週期 稱之為管路暫停也稱之為氣泡）。第六章 利用管路增加效能頁 計算機組織與設(shè)計-軟硬體介面8Fig 6.5 Predicting that branches are not taken as a solution to control hazardsn解決方式2: 預(yù)測 預(yù)測分支條件永遠(yuǎn)不會成立 當(dāng)你的預(yù)測正確時，管路可以全速的運作 (圖 6.5 (a) 只有當(dāng)分支發(fā)生時我們才需要管路暫停 (圖6.5 (b)第六章 利用管路增加效能頁 計算機組織與設(shè)計-軟硬體介面93. 資料危障n管路中某一指令執(zhí)行時，需要用到還在管路中前面的指令所產(chǎn)生的結(jié)果。n範(fàn)例add $s0, $t0, $t1sub $t2, $s0, $t3n加法指令會到第五個管路階段才將資料寫回暫存器，意思就是說我們將會產(chǎn)生三個氣泡。n前饋 (圖 6.8)第六章 利用管路增加效能頁 計算機組織與設(shè)計-軟硬體介面10