第3章2增加內(nèi)容流水線處理機(jī)及其設(shè)計(jì)

1

附錄A流水線技術(shù)A.1 流水線的基本概念A(yù).2 流水線的主要障礙---流水線冒險(xiǎn)（相關(guān)）A.3 流水線處理機(jī)及其設(shè)計(jì)（李亞民教材相關(guān)內(nèi)容）A.4 異常事件處理A.5擴(kuò)展流水線到多周期操作A.3流水線處理機(jī)及其設(shè)計(jì)A.3.1流水線處理機(jī)的指令系統(tǒng)A.3.2流水線處理機(jī)的數(shù)據(jù)路徑A.3.3流水線處理機(jī)的控制A.3.4結(jié)構(gòu)相關(guān)及解決方法A.3.5數(shù)據(jù)相關(guān)及解決辦法A.3.6轉(zhuǎn)移相關(guān)及解決方法A.3.7異常事件處理這部分內(nèi)容來源于：李亞民.計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu).清華大學(xué)出版社

A.3.1流水線處理機(jī)的指令系統(tǒng)流水線(pipeline)是一種能夠使多條指令重疊執(zhí)行的處理機(jī)的實(shí)現(xiàn)技術(shù)，它已成為現(xiàn)代處理機(jī)設(shè)計(jì)中最為關(guān)鍵的技術(shù)。流水線處理機(jī)把一條指令的執(zhí)行分成幾個(gè)步驟，或稱級(jí)(stages)，每一級(jí)在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成。在每個(gè)時(shí)鐘周期，處理機(jī)啟動(dòng)執(zhí)行一條指令。如果處理機(jī)的流水線有m級(jí)，則同時(shí)可重疊執(zhí)行的指令總條數(shù)將為m，每條指令處在不同的執(zhí)行階段。如果分級(jí)分得好的話，那么每一級(jí)都沒有時(shí)間上的浪費(fèi)，這是最理想的情況。一、流水線的性能指標(biāo)(1)流水線吞吐率TP(也稱流水線排空時(shí)間)TP=Tkn其中:n為任務(wù)數(shù)量,Tk是處理完n個(gè)任務(wù)所用的時(shí)間。假設(shè)一個(gè)時(shí)間段均等(

t)的流水線,級(jí)數(shù)為k,第一條指令輸入后,經(jīng)過k

t的時(shí)間完成,此后的每一個(gè)

t完成一條指令,這樣,流水線完成n條指令所需時(shí)間為:Tk

=k

t+(n

1)

t代入基本公式:TP=Tkn=k

t+(n

1)

tn最大吞吐率:TPmax=limn

k

t+(n

1)

tn=

t1(2)流水線加速比流水線加速比定義:按順序方式執(zhí)行一批指令所用的時(shí)間與按流水線方式執(zhí)行同一批指令所用時(shí)間之比。加速比:S=TkTs順序方式執(zhí)行所用時(shí)間流水線方式執(zhí)行所用時(shí)間假設(shè)流水線各段時(shí)間均等為

t,則一條k段流水線完成n條指令所需時(shí)間為:Tk=(k+n

1)

t。假設(shè)按順序執(zhí)行n條指令,則完成n條指令所需時(shí)間為:Ts=nk

t。因此有加速比:S=nkk+n

1最大加速比:Smax

=nkk+n

1limn

=k即當(dāng)n>>k時(shí),流水線加速比等于流水線段數(shù),因此理論上流水線段數(shù)越多越好,但在設(shè)計(jì)上會(huì)帶來許多問題。(3)流水線效率流水線效率是指:流水線中的功能部件的利用率,

其值為流水線功能部件的實(shí)際使用時(shí)間與整個(gè)運(yùn)行時(shí)間之比。假設(shè)流水線級(jí)數(shù)為k,各級(jí)時(shí)間相等(

t),完成n條指令總時(shí)間為Tk,則每一級(jí)的效率為(理想情況):E=由于各級(jí)相同,則整條流水線利用率:ei=n

tTk=(k+n

1)

tn

t=(k+n

1)n(k+n

1)n當(dāng)n>>k時(shí),E趨于1。二、流水線處理機(jī)的指令系統(tǒng)和指令格式ALU操作類型的指令：and,or,add,sub;存儲(chǔ)器訪問指令：load，store；條件轉(zhuǎn)移指令：bne，beq；無條件轉(zhuǎn)移指令：branch共9種。*ALU指令除了把運(yùn)算結(jié)果寫入寄存器堆之外，也把ZERO標(biāo)志寫入Z寄存器。條件轉(zhuǎn)移指令使用Z標(biāo)志決定是否轉(zhuǎn)移。10指令長度：32位；地址32位

設(shè)定指令存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)單元32位，按字尋址每次按PC取指令后，（PC）+1→PC表1.1流水線處理機(jī)的指令系統(tǒng)和指令格式31262521201615540指令意義000000rdrs1rs2andrd,rs1,rs2寄存器與寄存器000001rdrs1immeandird,rs1,imme寄存器與立即數(shù)000010rdrs1rs2orrd,rs1,rs2寄存器或寄存器000011rdrs1immeorird,rs1,imme寄存器或立即數(shù)000100rdrs1rs2addrd,rs1,rs2寄存器加寄存器000101rdrs1immeaddird,rs1,imme寄存器加立即數(shù)000110rdrs1rs2subrd,rs1,rs2寄存器減寄存器000111001000001001rdrs1immeimmeimmesubird,rs1,immeloadrd,imme(rs1)storerd,imme(rs1)寄存器減立即數(shù)從存儲(chǔ)器讀數(shù)據(jù)向存儲(chǔ)器寫數(shù)據(jù)rdrs1rdrs1001010001011001100dispdispdispbnedispbeqdispbranchdisp結(jié)果非0時(shí)轉(zhuǎn)移結(jié)果為0時(shí)轉(zhuǎn)移無條件轉(zhuǎn)移三、非流水線方式下指令系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

單周期實(shí)現(xiàn)：每條指令執(zhí)行用一個(gè)時(shí)鐘周期∕CPI=1,

時(shí)鐘周期長（取最長指令執(zhí)行時(shí)間）ClkLoadStoreWasteCycle1Cycle2IFIDEXMEMWBIFIDEXMEMWB單周期處理機(jī)實(shí)現(xiàn)讀寄存器地址寫地址（PC用字地址，相當(dāng)于字節(jié)偏移量的４）多路選擇器000000rdrs1rs2andrd,rs1,rs2表1.1流水線處理機(jī)的指令系統(tǒng)和指令格式31262521201615540指令意義000000rdrs1rs2andrd,rs1,rs2寄存器與寄存器000001rdrs1immeandird,rs1,imme寄存器與立即數(shù)000010rdrs1rs2orrd,rs1,rs2寄存器或寄存器000011rdrs1immeorird,rs1,imme寄存器或立即數(shù)000100rdrs1rs2addrd,rs1,rs2寄存器加寄存器000101rdrs1immeaddird,rs1,imme寄存器加立即數(shù)000110rdrs1rs2subrd,rs1,rs2寄存器減寄存器000111001000001001rdrs1immeimmeimmesubird,rs1,immeloadrd,imme(rs1)storerd,imme(rs1)寄存器減立即數(shù)從存儲(chǔ)器讀數(shù)據(jù)向存儲(chǔ)器寫數(shù)據(jù)rdrs1rdrs1001010001011001100dispdispdispbnedispbeqdispbranchdisp結(jié)果非0時(shí)轉(zhuǎn)移結(jié)果為0時(shí)轉(zhuǎn)移無條件轉(zhuǎn)移15

一條指令的執(zhí)行過程分為5個(gè)階段：IF:取指令按照PC內(nèi)容訪問指令存儲(chǔ)器，取出指令順序執(zhí)行，則PC+1，以獲取下一條指令地址ID:指令譯碼/讀寄存器指令譯碼讀寄存器如果需要，符號(hào)擴(kuò)展指令中的偏移量轉(zhuǎn)移指令，

PC+偏移量ClkLoadStoreWasteCycle1Cycle2IFIDEXMEMWBIFIDEXMEMWB16EX:執(zhí)行/有效地址計(jì)算Load/Store:

計(jì)算數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器有效地址R-R/R-IALU:

執(zhí)行運(yùn)算操作MEM:數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器訪問Load:

送有效地址到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，取數(shù)據(jù)Store:

寫ID讀出數(shù)據(jù)到有效地址單元中

WB:寫回寄存器LoadorALU:寫結(jié)果到寄存器堆

ClkLoadStoreWasteCycle1Cycle2IFIDEXMEMWBIFIDEXMEMWB單周期處理機(jī)的指令執(zhí)行例1：addrd,rs1,rs2讀寄存器地址寫地址（PC用字地址，相當(dāng)于字節(jié)偏移量的４）多路選擇器18例2：addird,rs1,imme單周期處理機(jī)的指令執(zhí)行讀寄存器地址寫地址（PC用字地址，相當(dāng)于字節(jié)偏移量的４）多路選擇器19例3：loadrd,imme(rs1)單周期處理機(jī)的指令執(zhí)行讀寄存器地址寫地址（PC用字地址，相當(dāng)于字節(jié)偏移量的４）多路選擇器20例4：storerd,imme(rs1)單周期處理機(jī)的指令執(zhí)行讀寄存器地址（PC用字地址，相當(dāng)于字節(jié)偏移量的４）多路選擇器21例5：branchdisp單周期處理機(jī)的指令執(zhí)行（PC用字地址，相當(dāng)于字節(jié)偏移量的４）

指令執(zhí)行時(shí)用到的主要功能部件和它們所需的時(shí)間如下：指令存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器：10ns；ALU和地址加法器：10ns；寄存器堆：5ns；假定其它部件，如PC寄存器、多路器、控制部件等花費(fèi)的時(shí)間為0。10（ns）510105ALU指令指令存儲(chǔ)器寄存器堆ALU寄存器堆30load指令指令存儲(chǔ)器寄存器堆ALU數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寄存器堆40store指令指令存儲(chǔ)器寄存器堆ALU數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器35轉(zhuǎn)移指令指令存儲(chǔ)器加法器（10）20表1.2各類指令執(zhí)行所需要的時(shí)間23單周期處理機(jī)的時(shí)鐘周期：40ns二種處理機(jī)執(zhí)行時(shí)序比較：（a）單周期；（b）多周期；四、單周期與多周期處理機(jī)時(shí)序五、流水線處理機(jī)時(shí)序流水線處理機(jī)：流水線是5級(jí)。示意圖如下：IM（instructionmemory）：指令存儲(chǔ)器REG（registerfile）：寄存器堆DM

（data

memory）：數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器IFIDEXMEMWB流水線處理機(jī)：一個(gè)時(shí)鐘周期取各級(jí)操作中所需時(shí)間最長的操作執(zhí)行時(shí)間。時(shí)鐘周期定義為10ns（盡管讀寫寄存器堆只需5ns，也仍然要分配給它整個(gè)時(shí)鐘周期）。表1.3使用流水線技術(shù)后指令執(zhí)行所需要的時(shí)間（ns）1010101010ALU指令指令存儲(chǔ)器寄存器堆ALU寄存器堆50load指令指令存儲(chǔ)器寄存器堆ALU數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寄存器堆50store指令指令存儲(chǔ)器寄存器堆ALU數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器40轉(zhuǎn)移指令指令存儲(chǔ)器加法器20圖1.1三種處理機(jī)執(zhí)行時(shí)序比較：（a）單周期；（b）多周期；（c）流水線28A.3流水線處理機(jī)及其設(shè)計(jì)A.3.1流水線處理機(jī)的指令系統(tǒng)A.3.2流水線處理機(jī)的數(shù)據(jù)路徑A.3.3流水線處理機(jī)的控制A.3.4結(jié)構(gòu)相關(guān)及解決方法A.3.5數(shù)據(jù)相關(guān)及解決辦法A.3.6轉(zhuǎn)移相關(guān)及解決方法A.3.7異常事件處理

A.3.2流水線處理機(jī)的數(shù)據(jù)路徑流水線處理機(jī)的數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)與工作原理。一、流水線級(jí)非流水線單周期處理機(jī)組成結(jié)構(gòu)如后圖把執(zhí)行指令的過程分為5部分，使其能夠按流水線方式執(zhí)行指令： （1）IF(instructionfetch)取指令；（2）ID(instructiondecode)指令譯碼并讀寄存器操作數(shù)；（3）EXE(execution)執(zhí)行；（4）MEM(memoryaccess)存儲(chǔ)器訪問；（5）WB(writeback)寫回。單周期處理機(jī)讀寄存器地址寫地址（PC用的是字地址，相當(dāng)于字節(jié)偏移量的４）指令執(zhí)行從左移向右通過電路如圖箭頭所示，指令執(zhí)行從左移向右通過電路。但有兩處從右向左的例外：WB級(jí)：把運(yùn)算結(jié)果寫回寄存器堆中；IF級(jí)：把經(jīng)過計(jì)算的下一條指令的地址寫入程序計(jì)數(shù)器PC中。下一條指令地址的計(jì)算方法有兩種：*一種是當(dāng)前PC加1；*另一種是當(dāng)前PC加字地址偏移量，偏移量在轉(zhuǎn)移指令中定義出。

流水線處理機(jī)的最大特點(diǎn)：每一個(gè)時(shí)鐘周期取出一條指令來執(zhí)行。所有的指令按取出的先后次序通過圖1.2中的從左至右的數(shù)據(jù)路徑。

依照指令類型的不同，每種指令在執(zhí)行過程中可能會(huì)用到數(shù)據(jù)路徑的不同的部分。

例如：圖1.3中畫出的是處理機(jī)連續(xù)執(zhí)行l(wèi)oad指令時(shí)所要使用的數(shù)據(jù)路徑中的功能部件。load指令實(shí)際上是使用功能部件最多的指令。圖1.3流水線處理機(jī)連續(xù)執(zhí)行l(wèi)oad指令時(shí)的情形圖1.3中，IM（instructionmemory）：指令存儲(chǔ)器。*第一級(jí)，IF級(jí)，PC的內(nèi)容作為訪問IM的地址，送到IM的地址輸入端。*第二級(jí)中，REG(registerfile)代表寄存器堆或者指令中立即數(shù)的擴(kuò)展。Load指令訪問存儲(chǔ)器時(shí)所使用的地址由兩個(gè)數(shù)據(jù)相加得到，一個(gè)數(shù)據(jù)是寄存器操作數(shù)，另一個(gè)數(shù)據(jù)是經(jīng)符號(hào)擴(kuò)展的立即數(shù)。*第三級(jí)的ALU做算術(shù)邏輯運(yùn)算。針對(duì)load指令來講，ALU完成地址加法運(yùn)算。*第四級(jí)中，DM(datamemory)代表數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)將在這一級(jí)中被讀出。存儲(chǔ)器的地址輸入就是ALU計(jì)算出的結(jié)果。*第五級(jí)，從存儲(chǔ)器中取出的數(shù)據(jù)被寫回到寄存器堆中。這一級(jí)中的REG就是第二級(jí)中的REG。第二級(jí)讀REG，第五級(jí)寫REG。圖1.3流水線處理機(jī)連續(xù)執(zhí)行l(wèi)oad指令時(shí)的情形

在單周期處理機(jī)中，如果一條指令還沒有執(zhí)行完畢，PC的內(nèi)容不會(huì)改變。這就使得在一條指令的整個(gè)執(zhí)行過程中，IM始終輸出當(dāng)前指令。流水線處理機(jī)每個(gè)時(shí)鐘周期都要取出一條指令。因此，當(dāng)流水線處理機(jī)已從存儲(chǔ)器取出一條指令并把它送到ID級(jí)去譯碼時(shí)，下一條指令也正在從指令存儲(chǔ)器中取出。如果先取出的指令沒被保存，則它后面正在被取出的指令會(huì)對(duì)它造成影響。也就是說，必須要使用寄存器來保存從存儲(chǔ)器取出的指令。流水線寄存器的引入推而廣之，我們必須要在流水線的各級(jí)之間安排一組寄存器，用以保存當(dāng)前時(shí)鐘周期各流水級(jí)操作的結(jié)果，以便為下個(gè)周期使用（我們只能使用觸發(fā)器寄存器，它把時(shí)鐘上升沿時(shí)數(shù)據(jù)輸入端的信息打人寄存器中；而不能使用鎖存器，因?yàn)殒i存器的輸出在時(shí)鐘高電平時(shí)跟隨輸入的變化而變化。）我們稱這些寄存器為流水線寄存器。由此，我們能夠初步設(shè)想出流水線處理機(jī)應(yīng)有圖1.4所示的結(jié)構(gòu)。圖1.4流水線處理機(jī)每級(jí)之間的流水線寄存器PC（32位）：作為一個(gè)特殊的流水線寄存器，因?yàn)樵诜橇魉€處理機(jī)中PC也是需要的。由于流水線處理機(jī)每個(gè)時(shí)鐘周期都從指令存儲(chǔ)器取出一條指令，它的值在每次周期結(jié)束時(shí)都將被改變。程序不發(fā)生轉(zhuǎn)移時(shí)，PC加1；（字地址加1，字節(jié)地址是加4）轉(zhuǎn)移時(shí)，PC加符號(hào)擴(kuò)展的偏移量。指令寄存器IR（32位）：第一級(jí)與第二級(jí)之間的流水線寄存器。

第二和第三級(jí)之間需要較多的寄存器：*從寄存器堆中讀出的兩個(gè)32位數(shù)據(jù)A和B必須要保存。*經(jīng)符號(hào)擴(kuò)展后的32位立即數(shù)I也要保存。圖中的ISE(immediatesign-extend)代表指令中立即數(shù)的符號(hào)擴(kuò)展。*一個(gè)d寄存器（5位），它被用來保存目的寄存器號(hào)；因?yàn)橹噶畹牟僮鹘Y(jié)果要在WB級(jí)寫入寄存器堆，目的寄存器號(hào)也要在那時(shí)使用，因此必須要同步跟隨過去。40圖1.4流水線處理機(jī)每級(jí)之間的流水線寄存器一般的ALU操作指令，要么是A與B操作，要么是A與I操作。我們能不能在ID級(jí)增加一個(gè)多路器而省去B或I寄存器，只使用一個(gè)32位寄存器呢?答案是否定的。原因出在store指令上。store指令同時(shí)使用A，B和I。A和I用來計(jì)算存儲(chǔ)器地址，B用來保存寫入存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)。在流水線處理機(jī)中，這些數(shù)據(jù)必須要。在一個(gè)時(shí)鐘周期中同時(shí)產(chǎn)生，以保證不引起資源沖突。第三級(jí)和第四級(jí)之間除了d之外，還有Z，R和S：

Z（1位）：用于存放ALU的一位ZERO標(biāo)志。當(dāng)ALU指令的運(yùn)算結(jié)果為全0時(shí)，ZERO輸出1，否則輸出0。在執(zhí)行條件轉(zhuǎn)移指令時(shí)，Z用來決定是否真正轉(zhuǎn)移。

R（32位）：存ALU運(yùn)算結(jié)果（R型/load/store）。

S（32位）：專為store指令而設(shè)，用來存放要被寫入存儲(chǔ)器中的32位數(shù)據(jù)。43圖1.4流水線處理機(jī)每級(jí)之間的流水線寄存器

第四級(jí)和第五級(jí)之間的寄存器如下：

D（32位）：存放load指令從存儲(chǔ)器中讀出的數(shù)據(jù)；

C（32位）：只是保存前一級(jí)的R，即R型指令的運(yùn)算結(jié)果。

這一級(jí)d寄存器的輸出用于指定目的寄存器，D或C的數(shù)據(jù)要被寫入由d所指定的目的寄存器中。我們不妨把寄存器堆看作是最后一級(jí)流水線寄存器。

下面我們描述每級(jí)流水線的操作。45圖1.4流水線處理機(jī)每級(jí)之間的流水線寄存器二、流水線各級(jí)的操作1.IF級(jí)：在第一級(jí)取指令級(jí)（圖1．5）使用PC的內(nèi)容訪問指令存儲(chǔ)器，取出指令，并在該級(jí)結(jié)束時(shí)，把指令打人IR寄存器。圖1.5流水線第一級(jí)——取指令級(jí)47下一條指令的地址也在這一級(jí)計(jì)算出，并把它打人PC寄存器。新的PC的計(jì)算有兩種情況：

a、程序不發(fā)生轉(zhuǎn)移時(shí)，新的PC地址由當(dāng)前PC值加1得到（1是指令字偏移量，相當(dāng)于字節(jié)地址偏移量的4），即指向下一條順序的指令；

b、發(fā)生轉(zhuǎn)移時(shí)的情況較復(fù)雜，將在后面描述。2.ID級(jí)指令譯碼級(jí)（圖1．6）主要有兩件事情要做：

從寄存器堆中讀寄存器操作數(shù)和對(duì)指令中的立即數(shù)部分進(jìn)行符號(hào)擴(kuò)展。此外：目的寄存器號(hào)要保存在流水線寄存器d中，以便在WB級(jí)指定把結(jié)果寫入哪一個(gè)寄存器中。

A2輸入端前多路器為store指令而設(shè)。不是store時(shí)，多路器選擇IR中的rs2；是store指令時(shí)，多路器選擇IR中的rd。圖1.6流水線第二級(jí)——指令譯碼級(jí)49

●

第二件工作由控制部件完成?？刂撇考鶕?jù)指令操作碼OPCODE，產(chǎn)生所有的控制信號(hào)，將在下一節(jié)描述。

轉(zhuǎn)移指令將在本級(jí)結(jié)束，稍后再詳細(xì)討論它。圖1.6流水線第二級(jí)——指令譯碼級(jí)3.EXE級(jí)

執(zhí)行級(jí)（圖1．7）的工作均由ALU來做：*ALU運(yùn)算類指令將在本級(jí)計(jì)算結(jié)果，并把它打人R寄存器。

ALU的ZERO輸出也被打入Z寄存器。ALU的兩個(gè)操作數(shù)，一個(gè)來自于寄存器rs1，它在前一級(jí)已被打人流水線寄存器A中了；另一個(gè)或是rs2操作數(shù)（B中內(nèi)容），或是立即數(shù)（I中內(nèi)容）。d直接傳遞。

圖1.7流水線第三級(jí)——執(zhí)行級(jí)51*load和store指令在本級(jí)計(jì)算存儲(chǔ)器地址（ALU做加法）。兩個(gè)源操作數(shù)一個(gè)來自于A，一個(gè)來自于I。若是store指令，B的內(nèi)容（寫入DM）將被打人流水線寄存器S。

圖1.7流水線第三級(jí)——執(zhí)行級(jí)4.MEM級(jí)

存儲(chǔ)器訪問級(jí)（圖1．8）專為load／store指令而設(shè)。

load／store均使用流水線寄存器R的輸出作為訪問存儲(chǔ)器的地址。store指令把S的內(nèi)容寫入存儲(chǔ)器。load指令讀存儲(chǔ)器，并把讀出的數(shù)據(jù)打入流水線寄存器D。

ALU指令在本級(jí)只把R內(nèi)容打入C。圖1.8流水線第四級(jí)——存儲(chǔ)器訪問級(jí)5.WB級(jí)

寫回級(jí)（圖1．9）把指令執(zhí)行結(jié)果寫回到寄存器堆。

目的寄存器號(hào)由從ID級(jí)一直傳遞過來d指定。寫入的來源有兩個(gè)：

*一個(gè)是流水線寄存器D中的內(nèi)容（load指令讀出內(nèi)容），即存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)；

*另一個(gè)是流水線寄存器C的內(nèi)容，即ALU指令的計(jì)算結(jié)果。

圖1.9流水線第五級(jí)——寫回級(jí)

下面分別是ALU運(yùn)算類型的指令，load和store指令執(zhí)行時(shí)用到的流水線數(shù)據(jù)路徑。圖1.10ALU指令執(zhí)行時(shí)用到的流水線數(shù)據(jù)路徑例：addr2,r3,r4;圖1.11load指令執(zhí)行時(shí)用到的流水線數(shù)據(jù)路徑例：loadr1,10(r5)圖1.12store指令執(zhí)行時(shí)用到的流水線數(shù)據(jù)路徑例：storer3,20(r1)57A.3流水線處理機(jī)及其設(shè)計(jì)A.3.1流水線處理機(jī)的指令系統(tǒng)A.3.2流水線處理機(jī)的數(shù)據(jù)路徑A.3.3流水線處理機(jī)的控制A.3.4結(jié)構(gòu)相關(guān)及解決方法A.3.5數(shù)據(jù)相關(guān)及解決辦法A.3.6轉(zhuǎn)移相關(guān)及解決方法A.3.7異常事件處理A.3.3流水線處理機(jī)的控制

為非流水線多周期處理機(jī)設(shè)計(jì)控制部件時(shí)，有兩種方法可供我們選擇：一種是有限狀態(tài)機(jī)的硬布線方法；另一種是微程序控制方法。雖然流水線處理機(jī)也是多周期處理機(jī)，但由于多條指令的重疊執(zhí)行，則很難描述某個(gè)時(shí)鐘周期處理機(jī)到底處在何種狀態(tài)，因?yàn)橛刑嗟牟煌噶铋g的組合情況。微程序控制方法也會(huì)遇到類似的問題。一、算術(shù)操作和存儲(chǔ)器訪問控制通過下面程序的例子，研究流水線處理機(jī)多條指令重疊操作的過程，分析流水線各級(jí)所需要的操作控制信號(hào)，然后依此設(shè)計(jì)出產(chǎn)生控制信號(hào)的控制部件。

0

addir1，r1，4；r1←r1+4

1

loadr2，100（r3）；r2

←

memory

[

r3+100

]

2 sub

r4，r5，r6；r4

←

r5–r6，

3 add

r7，r5，r6；r7

←

r5

+

r6

4

storer8，200（r9）；memory

[

r9+200

]←

r8

5 subir10，r10，1;r10

←

r10

-1

以上的例子比較簡單，指令之間沒有任何數(shù)據(jù)相關(guān)（冒險(xiǎn)）。以下按順序描述每個(gè)周期流水線數(shù)據(jù)路徑的操作以及所需的控制信號(hào)。

注意，前4個(gè)周期，指令還沒有充滿流水線。從第五個(gè)周期開始，指令充滿流水線。但由于例子中總共只有6條指令，從第七個(gè)周期開始，不再有新的指令被取來。隨著指令不斷地完成執(zhí)行，流水線將在第11個(gè)周期完全變空。

在實(shí)際的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，處理機(jī)總是能取到指令來執(zhí)行。當(dāng)沒有用戶程序時(shí)，處理機(jī)轉(zhuǎn)去執(zhí)行操作系統(tǒng)程序。61程序例子的執(zhí)行時(shí)序圖subir10,r10,11．第一個(gè)時(shí)鐘周期程序例子執(zhí)行時(shí)的第一個(gè)時(shí)鐘周期

例中的6條指令地址（這里用的是字地址，相當(dāng)于字節(jié)偏移量的４）分別為0，1，2，3，4，5。0

第一個(gè)時(shí)鐘周期是第一條指令的IF級(jí)：*PC輸出0，從存儲(chǔ)器取出第一條指令addir1，r1，4。*地址加法器前多路器選擇1，與當(dāng)前PC值相加，得到字地址1，即下一條指令的地址。在該周期結(jié)束時(shí)，時(shí)鐘的上升沿把取出的指令無條件地寫人指令寄存器IR。同時(shí)也把1寫入PC。程序例子執(zhí)行時(shí)的第一個(gè)時(shí)鐘周期01多路器的選擇信號(hào)為轉(zhuǎn)移發(fā)生BTAKEN(branchtaken)：

轉(zhuǎn)移發(fā)生，它為1時(shí)，多路器選擇經(jīng)符號(hào)擴(kuò)展的偏移量，與當(dāng)前PC值相加，加法器輸出轉(zhuǎn)移地址。

本例中沒有轉(zhuǎn)移指令，因此轉(zhuǎn)移總也不發(fā)生，即BTAKEN＝0。

第一個(gè)時(shí)鐘周期結(jié)束，即剛進(jìn)入第二個(gè)周期時(shí)：

PC輸出1；

IR輸出第一條指令

addir1，r1，4。2．第二個(gè)時(shí)鐘周期

這時(shí)第一條指令進(jìn)入ID級(jí)，第二條指令進(jìn)入IF級(jí)。兩條指令的操作在各自的級(jí)同時(shí)進(jìn)行：程序例子執(zhí)行時(shí)的第二個(gè)時(shí)鐘周期SST（1）處在ID級(jí)的第一條指令addir1，r1，4完成譯碼操作，并根據(jù)指令格式中各字段的值：對(duì)立即數(shù)部分做符號(hào)擴(kuò)展，從寄存器堆中讀出兩個(gè)寄存器r1和r4的內(nèi)容。

在本周期結(jié)束時(shí)，把4、r1和r4內(nèi)容分別寫入流水線寄存器I，A和B中。SST67

實(shí)際上，寄存器r4的內(nèi)容不被使用。這個(gè)4來自于立即數(shù)中的4，它們?cè)谥噶罡袷街刑幵谙嗤奈恢谩Ｒ簿褪钦f，把寄存器r4的內(nèi)容打入B中做的是無用功。但這沒關(guān)系，因?yàn)橄乱粋€(gè)周期不使用它。這樣做的原因是為了簡化控制電路，即流水線寄存器不要求配置寫使能端了（以后，如果數(shù)據(jù)不被使用，不再描述它）。

寄存器地址A2輸入端前面的多路器選擇指令格式中的rs2字段或者rd字段。選擇端的名字定義為SST(selectstore)。當(dāng)是store指令，SST＝1，選擇rd；

否則SST＝0，選擇rs2。

本例中SST＝0，選擇rs2

；實(shí)際不使用第二個(gè)寄存器操作數(shù)，因此SST是什么都沒關(guān)系。31262521201615540指令意義000100rdrs1rs2addrd,rs1,rs2寄存器加寄存器000101rdrs1immeaddird,rs1,imme寄存器加立即數(shù)

r1目的寄存器編號(hào)1也被打人流水線寄存器d，以備在WR級(jí)用它來指定目的寄存器，向其中寫入操作結(jié)果。SST（2）同時(shí)，*從存儲(chǔ)器取出第二條指令loadr2，100(r3)；在周期結(jié)束時(shí)打入IR。*BTAKEN＝0，選擇PC+1，2送到PC。SST12

第二個(gè)時(shí)鐘周期結(jié)束，即剛進(jìn)入第三個(gè)周期時(shí)：

PC輸出2；

IR輸出第二條指令loadr2，100(r3)；

I輸出32位的4，A輸出r1的內(nèi)容，d輸出1（目的寄存器是r1）。3．第三個(gè)時(shí)鐘周期

這時(shí)第一條指令進(jìn)入EXE級(jí)，第二條指令進(jìn)入ID級(jí)，第三條指令進(jìn)入IF級(jí)。3條指令的操作在各自的級(jí)同時(shí)進(jìn)行：程序例子執(zhí)行時(shí)的第三個(gè)時(shí)鐘周期SST（1）處在EXE級(jí)的第一條指令addr1，r1，4由ALU完成加法操作：多路器選擇信號(hào)SIMM(selectimmediate)為1，意為選擇立即數(shù)

ALU的兩個(gè)源操作數(shù)分別來自A和I，ALUOP是加運(yùn)算控制信號(hào)。SST程序例子執(zhí)行時(shí)的第三個(gè)時(shí)鐘周期73

ALU右端的流水線寄存器d，R被無條件地打入數(shù)據(jù)。而只有當(dāng)指令為ALU運(yùn)算類型時(shí)，寫使能信號(hào)WZ＝1，才把ALU的ZERO輸出打入一位流水線寄存器Z。這是因?yàn)椴⒉皇撬械闹噶疃夹薷腪標(biāo)志寄存器。SST（2）處在ID級(jí)的第二條指令loadr2，100(r3)完成譯碼、立即數(shù)符號(hào)擴(kuò)展以及讀寄存器操作。

在本周期結(jié)束時(shí)，把32位的100和r3的內(nèi)容分別寫入流水線寄存器I和A。

目的寄存器號(hào)2也被打入流水線寄存器d。

SST＝0，選擇rs2。

SST程序例子執(zhí)行時(shí)的第三個(gè)時(shí)鐘周期74（3）PC輸出2，從存儲(chǔ)器取出第三條指令subr4，r5，r6；在周期結(jié)束時(shí)打人IR。BTAKEN=0，周期結(jié)束時(shí)把3打人PC。

第三個(gè)時(shí)鐘周期結(jié)束，剛進(jìn)入第四個(gè)周期時(shí)：PC輸出3，指向第四條指令；IR輸出第三條指令subr4，r5，r6；I輸出32位的100，A輸出寄存器r3的內(nèi)容；R輸出第一條指令的加法結(jié)果。SSTSST程序例子執(zhí)行時(shí)的第三個(gè)時(shí)鐘周期75234．第四個(gè)時(shí)鐘周期：第一條指令進(jìn)入MEM級(jí)，第二條指令進(jìn)入EXE級(jí)，第三條指令進(jìn)入ID級(jí)，第四條指令進(jìn)入IF級(jí)。程序例子執(zhí)行時(shí)的第四個(gè)時(shí)鐘周期4條指令的操作在各自的級(jí)同時(shí)進(jìn)行：（1）R的內(nèi)容直接傳遞到C。（2）處在EXE級(jí)的第二條指令loadr3，100(r2)由ALU計(jì)算存儲(chǔ)器地址。多路器的選擇信號(hào)SIMM＝1，選擇立即數(shù)。ALU的兩個(gè)源操作數(shù)分別來自A和I，結(jié)果打入R。WZ＝0，不打人流水線寄存器Z。程序例子執(zhí)行時(shí)的第四個(gè)時(shí)鐘周期（3）處在ID級(jí)的第三條指令subr4，r5，r6完成譯碼、讀寄存器操作。SST＝0，選擇rs2。在本周期結(jié)束時(shí)，寄存器r5和r6的內(nèi)容分別寫入A和B。目的寄存器號(hào)4打入d，以備在WR級(jí)用它來指定目的寄存器r4，向其中寫入減法操作的結(jié)果。程序例子執(zhí)行時(shí)的第四個(gè)時(shí)鐘周期（4）PC輸出3，從存儲(chǔ)器取出第四條指令addr7，r5，r6，在周期結(jié)束時(shí)打人IR。BTAKEN＝0，周期結(jié)束時(shí)把4打入PC。

第四個(gè)時(shí)鐘周期結(jié)束，即剛進(jìn)入第五個(gè)周期時(shí)，PC輸出4，指向第五條指令；IR輸出第四條指令addr7，r5，r6；A和B分別輸出寄存器r5和r6的內(nèi)容(第三條指令)；R輸出存儲(chǔ)器地址(第二條指令)；C輸出第一條指令的加法結(jié)果。程序例子執(zhí)行時(shí)的第四個(gè)時(shí)鐘周期79345．第五個(gè)時(shí)鐘周期：這時(shí)指令充滿流水線。第一條指令進(jìn)入WB級(jí)，第二條指令進(jìn)入MEM級(jí)，第三條指令進(jìn)入EXE級(jí)，第四條指令進(jìn)入ID級(jí)，第五條指令進(jìn)入IF級(jí)。

5條指令的操作在各自的級(jí)同時(shí)進(jìn)行。程序例子執(zhí)行時(shí)的第五個(gè)周期（1）第一條指令處在WB級(jí)。這時(shí)，d輸出1（接到寄存器堆的AD端）。寄存器寫使能信號(hào)WREG（writeregisterfile）為1。多路器選擇信號(hào)SLD（selectload）為0，選擇C輸出，即把加法結(jié)果寫入寄存器堆的r1寄存器。至此，第一條指令完成了執(zhí)行，周期結(jié)束就退出流水線。程序例子執(zhí)行時(shí)的第五個(gè)周期82（2）處在MEM級(jí)的第二條指令load

r2，100(r3)

訪問存儲(chǔ)器。周期結(jié)束時(shí)把取來的存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)寫入D。程序例子執(zhí)行時(shí)的第五個(gè)周期（3）處在EXE級(jí)的第三條指令subr4，r5，r6由ALU做減法。多路器的選擇信號(hào)SIMM＝0，選擇寄存器操作數(shù)。ALU的兩個(gè)源操作數(shù)分別來自A和B，差打入R。WZ＝1，把ALU的ZERO輸出打人流水線寄存器Z。程序例子執(zhí)行時(shí)的第五個(gè)周期84（4）處在ID級(jí)的第四條指令addr7，r5，r6完成譯碼及讀寄存器操作。SST＝0，選擇r6。在本周期結(jié)束時(shí)，寄存器r5和r6的內(nèi)容分別寫入A和B。目的寄存器號(hào)7打入d。程序例子執(zhí)行時(shí)的第五個(gè)周期85程序例子執(zhí)行時(shí)的第五個(gè)周期（5）PC輸出4，取出第五條指令storer8，200(r9)，在周期結(jié)束時(shí)打人IR。BTAKEN=0，周期結(jié)束時(shí)把5打入PC。

第五個(gè)時(shí)鐘周期結(jié)束，即剛進(jìn)入第六個(gè)周期時(shí)：PC輸出5指向第六條指令；IR輸出第五條指令storer8，200(r9)；A和B分別輸出r5和r6的內(nèi)容(第四條指令)；R輸出減法結(jié)果(第三條指令)；D輸出第二條指令從存儲(chǔ)器取來的數(shù)據(jù)。456．第六個(gè)時(shí)鐘周期

這時(shí)指令仍充滿流水線。但第一條指令已經(jīng)流出。第二到第六條共5條指令的操作在各自的流水線級(jí)同時(shí)進(jìn)行：（1）第二條指令load

r2，100(r3)處在WB級(jí)。d輸出2。寄存器寫使能信號(hào)WREG＝1。SLD＝1，選擇D的輸出，即把存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)寫入寄存器堆的r2寄存器。至此，第二條指令也完成了它的執(zhí)行，將退出流水線。（2）處在MEM級(jí)的指令subr7，r5，r6把R的輸出直接傳遞到C。（3）EXE級(jí)的第四條指令addr7，r5，r6由ALU做加法。多路選擇信號(hào)SIMM＝0，選擇寄存器操作數(shù)。ALU的兩個(gè)源操作數(shù)分別來自A和B。WZ=1，把ALU的ZERO輸出打入流水線寄存器Z。（4）ID級(jí)的第五條指令storer8，200(r9)完成譯碼、立即數(shù)符號(hào)擴(kuò)展以及讀寄存器操作。注意，這時(shí)SST＝1，選擇r8。在本周期結(jié)束時(shí)，擴(kuò)展的立即數(shù)200、寄存器r9和r8的內(nèi)容分別寫入流水線寄存器I，A和B。（5）PC輸出5，從存儲(chǔ)器取出第六條指令subir10，r10，1；在周期結(jié)束時(shí)打人IR。BTAKEN＝0，周期結(jié)束時(shí)把6打人PC。

第六個(gè)時(shí)鐘周期結(jié)束，即剛進(jìn)入第七個(gè)周期時(shí)：PC輸出6，指向第七條指令；IR輸出第六條指令subir10，r10，1；A和B分別輸出寄存器r9和r