第六章-流水線處理機及其設計

6流水線處理機及其設計6.1引言S:性能加速比I:一個程序被執(zhí)行的總的指令條數(shù)CPI:每條指令總體平均所需的時鐘周期數(shù)CPInp:非流水線處理機的CPICPIp:流水線處理機的CPIm:一條指令執(zhí)行分成級T:每個時鐘周期的時間長度12345123451234512345123451234512345123451234512345123451121231122123452333444556指令系統(tǒng)6.2.1流水線級

6.2流水線處理機的數(shù)據(jù)路徑

流水線是m級每一級的時間是t執(zhí)行n條指令寫出非流水線操作時，所需時間公式寫出流水線操作時，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)=mAddrd,rs1,rs2;Addird,rs1,immeStorerd,rs1,immeLoadrd,rs1,imme6.2.2流水線各級的操作1.IF級2.ID級3.EXE級4.MEM級5.WB級2.ID級3.EXE級4.MEM級5.WB級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算術操作和存儲器訪問控制

6.3流水線處理機的控制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流水線各級信號的產(chǎn)生流水線中的相關及解決辦法結構相關問題數(shù)據(jù)相關問題轉(zhuǎn)移相關問題6.4結構相關及解決辦法存儲器相關寫寄存器相關讀寄存器相關存儲器相關現(xiàn)象解決辦法現(xiàn)象解決辦法寫寄存器相關現(xiàn)象解決辦法現(xiàn)象現(xiàn)象解決辦法ALU指令用5個周期寄存器堆有兩個寫端口改造loadrd，(imm)rs1=>loadrd,(rs1)寄存器堆有兩個寫端口改造

loadrd，(imm)rs1=>loadrd,(rs1)

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

內(nèi)部前推6.5.4處理load指令----

暫停與內(nèi)部前推想結合

6.5.1數(shù)據(jù)相關6.5.2暫停數(shù)據(jù)相關流水線檢測出數(shù)據(jù)相關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。6.5.3提高流水線處理機的性能內(nèi)部前推1.轉(zhuǎn)移指令或存儲指令2.轉(zhuǎn)移指令或存儲指令3.任意指令不相關1.非轉(zhuǎn)移指令或存儲指令2.轉(zhuǎn)移指令或存儲指令3.任意指令4.不相關1.非轉(zhuǎn)移指令或存儲指令2.轉(zhuǎn)移指令或存儲指令3.任意指令相關6.5.4處理load指令----暫停與內(nèi)部前推想結合6.6轉(zhuǎn)移