arm流水線(xiàn)(編輯修改稿)
2024-09-01 01:42 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 0。 ARM7系列處理器中每條指令分取指、譯碼、執(zhí)行三個(gè)階段，分別在不同的功能部件上依次獨(dú)立完成。取指部件完成從存儲(chǔ)器裝載一條指令，通過(guò)譯碼部件產(chǎn)生下 一周期數(shù)據(jù)路徑需要的控制信號(hào)，完成寄存器的解碼，再送到執(zhí)行單元完成寄存器的讀取、ALU運(yùn)算及運(yùn)算結(jié)果的寫(xiě)回，需要訪(fǎng)問(wèn)存儲(chǔ)器的指令完成存儲(chǔ)器的訪(fǎng) 問(wèn)。流水線(xiàn)上雖然一條指令仍需3個(gè)時(shí)鐘周期來(lái)完成，但通過(guò)多個(gè)部件并行，使得處理器的吞吐率約為每個(gè)周期一條指令，提高了流式指令的處理速度，從而可達(dá)到 O．9 MIPS／MHz的指令執(zhí)行速度。 在三級(jí)流水線(xiàn)下，通過(guò)R15訪(fǎng)問(wèn)PC(程序計(jì)數(shù)器)時(shí)會(huì)出現(xiàn)取指位置和執(zhí)行位置不同的現(xiàn)象。這須結(jié)合流水線(xiàn)的執(zhí)行情況考慮，取指部件根據(jù)PC取指，取指完 成后PC+4送到PC，并把取到的指令傳遞給譯碼部件，然后取指部件根據(jù)新的PC取指。因?yàn)槊織l指令4字節(jié)，故PC值等于當(dāng)前程序執(zhí)行位置+8。1．2 ARM9流水線(xiàn)技術(shù) ARM9系列處理器的流水線(xiàn)分為取指、譯碼、執(zhí)行、訪(fǎng)存、回寫(xiě)。取指部件完成從指令存儲(chǔ)器取指；譯碼部件讀取寄存器操作數(shù)，與三級(jí)流水線(xiàn)中不占有數(shù)據(jù)路徑 區(qū)別很大；執(zhí)行部件產(chǎn)生ALU運(yùn)算結(jié)果或產(chǎn)生存儲(chǔ)器地址(對(duì)于存儲(chǔ)器訪(fǎng)問(wèn)指令來(lái)講)；訪(fǎng)存部件訪(fǎng)問(wèn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；回寫(xiě)部件完成執(zhí)行結(jié)果寫(xiě)回寄存器。把三級(jí)流 水線(xiàn)中的執(zhí)行單元進(jìn)一步細(xì)化，減少了在每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)必須完成的工作量，進(jìn)而允許使用較高的時(shí)鐘頻率，且具有分開(kāi)的指令和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，減少了沖突的發(fā)生， 每條指令的平均周期數(shù)明顯減少。2 三級(jí)流水線(xiàn)運(yùn)行情況分析 三級(jí)流水線(xiàn)在處理簡(jiǎn)單的寄存器操作指令時(shí)，吞吐率為平均每個(gè)時(shí)鐘周期一條指令；但是在存在存儲(chǔ)器訪(fǎng)問(wèn)指令、跳轉(zhuǎn)指令的情況下會(huì)出現(xiàn)流水線(xiàn)阻斷情況，導(dǎo)致流 水線(xiàn)的性能下降。圖1給出了流水線(xiàn)的最佳運(yùn)行情況，圖中的MOV、ADD、SUB指令為單周期指令。從T1開(kāi)始，用3個(gè)時(shí)鐘周期執(zhí)行了3條指令，指令平均 周期數(shù)(CPI)等于1個(gè)時(shí)鐘周期。流水線(xiàn)中阻斷現(xiàn)象也十分普遍，下面就各種阻斷情況下的流水線(xiàn)性能進(jìn)行詳細(xì)分析。2．1 帶有存儲(chǔ)器訪(fǎng)問(wèn)指令的流水線(xiàn) 對(duì)存儲(chǔ)器的訪(fǎng)問(wèn)指令LDR就是非單周期指令，如圖2所示。這類(lèi)指令在執(zhí)行階段，首先要進(jìn)行存儲(chǔ)器的地址計(jì)算，占用控制信號(hào)線(xiàn)，而譯碼的過(guò)程同樣需要占用控 制信號(hào)線(xiàn)，所以下一條指令(第一個(gè)SUB)的譯碼被阻斷，并且由于LDR訪(fǎng)問(wèn)存儲(chǔ)器和回寫(xiě)寄存器的過(guò)程中需要繼續(xù)占用執(zhí)行單元，所以下一條(第一個(gè) SUB)的執(zhí)行也被阻斷。由于采用馮諾伊曼體系結(jié)構(gòu)，不能夠同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和指令存儲(chǔ)器，當(dāng)LDR處于訪(fǎng)存周期的過(guò)程中時(shí)，MOV指令的取指被阻 斷。因此處理器用8個(gè)時(shí)鐘周期執(zhí)行了6條指令，指令平均周期數(shù)(CPI)=1．3個(gè)時(shí)鐘周期。2．2 帶有分支指令的流水線(xiàn)當(dāng)
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