【文章內(nèi)容簡介】 定一條指令流水線由五段組成，且僅有 IF過程和MEM過程需要訪問存儲(chǔ)器 I1與 I4兩條指令在時(shí)鐘 4爭用存儲(chǔ)器資源的相關(guān)沖突 時(shí) 鐘 周 期指 令 編 號(hào)1 76432 5 98L O A D 指 令I(lǐng) FM E ME XI D W BI F M E ME XI D W BI F M E ME XI D W B指 令 i + 1指 令 i + 2I FM E ME XI D W B指 令 i + 3I F M E ME XI D W B指 令 i + 4表 解決訪存沖突的一種方案 當(dāng)指令在流水線中重疊執(zhí)行時(shí)，流水線有可能改變指令讀 /寫操作數(shù)的順序，使之不同于它們?cè)诜橇魉畬?shí)現(xiàn)時(shí)的順序，這將導(dǎo)致數(shù)據(jù)相關(guān)。 ADD R1， R2， R3 SUB R4， R1， R5 數(shù)據(jù)相關(guān) 時(shí) 鐘 周 期指 令 編 號(hào)1 76432 5 98A D D I FM E ME XI D W BI F M E ME XI D W BI F M E ME XI D W BS U B指 令 i + 2I FM E ME XI D W B指 令 i + 3I F M E ME XI D W B指 令 i + 4先寫后讀錯(cuò)誤 數(shù)據(jù)相關(guān)的分類 兩條指令 i 和 j，都會(huì)訪問同一寄存器 R，假設(shè) i 先進(jìn)入流水線，則它們對(duì) R有四種不同的訪問順序： (1) 寫后讀 ( RAW ) —— i 寫 j 讀 ? 如果 j 在 i 完成寫之前從 R 中讀出數(shù)據(jù)，將得到錯(cuò)誤的結(jié)果！ ? 最常見的數(shù)據(jù)相關(guān)，嚴(yán)重制約了 CPU的性能，是程序最重要的特征之一！ (2) 讀后寫 (WAR ) —— i 讀 j 寫 ? 如果 j 先將數(shù)據(jù)寫入 R， i 將讀出錯(cuò)誤的結(jié)果！ ? 當(dāng)有些指令在流水段后半部分讀源操作數(shù)，另一些指令在流水線前半部分寫結(jié)果，可能引起這種類型的相關(guān)。 (3) 寫后寫 ( WAW ) —— i 寫 j 寫 如果 j 在 i 之前完成寫操作， R中將保存錯(cuò)誤的結(jié)果！ (4) 讀后讀 (RAR ) —— i 讀 j 讀 不引起數(shù)據(jù)相關(guān)！ ADD R1， R2， R3 SUB R4， R1， R5 AND R6， R1， R7 OR R8， R1， R9 XOR R10， R1， R11 解決方法 1： 后推法： 即遇到數(shù)據(jù)相關(guān)時(shí)，就停頓后繼指令的執(zhí)行，直至前面指令的結(jié)果已經(jīng)形成。 時(shí) 鐘 周 期指 令 編 號(hào)1 76432 5 98A D D I FM E ME XI D W BI F M E ME XI D W BI F M E ME XI D W BS U BA N DI FM E ME XI D W BO RI F M E ME XI D W BX O R未對(duì)數(shù)據(jù)相關(guān)進(jìn)行特殊處理的流水線 時(shí) 鐘 周 期指 令1 76432 598A D D I FM E ME XI D W BI FM E ME XI D W BI FM E ME XI D W BS U BA N DI FM E ME XI D W BO RI FM E ME XI D W BX O R1 21 11 0對(duì)數(shù)據(jù)相關(guān)進(jìn)行特殊處理的流水線 解決方法 2： 通過 定向技術(shù) 減少數(shù)據(jù)相關(guān)帶來的暫停 定向， 也稱為 旁路 (bypassing) 主要思路：將計(jì)算結(jié)果從其產(chǎn)生的地方 直接送到真正需要它的地方 ，就可以避免暫停。 寄存器文件 EX/MEM中的 ALU運(yùn)算結(jié)果總是回送到 ALU的輸入寄存器 從定向通路得到輸入數(shù)據(jù)的 ALU操作不必從源寄存器中讀取操作數(shù) 3. 控制相關(guān) ? 控制相關(guān) 沖突由 轉(zhuǎn)移指令（分支指令） 引起 ? 執(zhí)行轉(zhuǎn)移指令時(shí)，依據(jù)轉(zhuǎn)移條件的產(chǎn)生結(jié)果 可能為順序取下條指令 也可能轉(zhuǎn)移到新的目標(biāo)地址取指令 地址不定，流水線需要暫停、 發(fā)生斷流 ? 轉(zhuǎn)移指令 主要有： 無條件轉(zhuǎn)移指令，過程調(diào)用和返回 ，條件分支指令 由程序執(zhí)行轉(zhuǎn)移類指令而引起的相關(guān)。影響范圍比較大，會(huì)引起程序執(zhí)行方向的改變。在流水線中，對(duì)流水線的吞吐率和效率的影響很大。 ⑴ 無條件轉(zhuǎn)移 1. 轉(zhuǎn)移指令在流水線處理機(jī)中的處理 k ： … k +1： JMP L … … L ： … 分析 k 執(zhí)行 k分析 k+1指令 L 不在先行指令緩沖棧中：取指令 L 分析 L 執(zhí)行 L指令 L 在先行指令緩沖棧中： 分析 L 執(zhí)行 L分析 L+1 執(zhí)行 L+1無條件轉(zhuǎn)移指令的執(zhí)行時(shí)序⑵ 條件轉(zhuǎn)移 條件轉(zhuǎn)移指令有兩種： 一般條件轉(zhuǎn)移指令 和 復(fù)合條件轉(zhuǎn) 移指令 。 一般條件轉(zhuǎn)移指令 的轉(zhuǎn)移條件來自上一條指令，或更前面的指令。 k ： … ； 置條件碼 CC k +1： JMP（ CC） L ； 如果 CC為真轉(zhuǎn)向 L，否則繼續(xù)執(zhí)行 k+2 k +2： … … … L ： … 分析 k 執(zhí)行 k 轉(zhuǎn)移不成功 分析 k+1 分析 k+2 執(zhí)行 K+2 成功 ,L 在緩沖棧 分析 k+1 分析 L 執(zhí)行 L 成功 ,L 不在緩沖棧 分析 k+1 取指令 L 分析 L 執(zhí)行 L 產(chǎn)生轉(zhuǎn)移條件 CC 根據(jù)轉(zhuǎn)移條件 CC 判斷轉(zhuǎn)移是否成功 復(fù)合型條件轉(zhuǎn)移指令 直接根據(jù)本條指令的執(zhí)行結(jié)果決定是否轉(zhuǎn)移。 復(fù)合型條件轉(zhuǎn)移指令的執(zhí)行時(shí)間關(guān)系下： k： OP L ； 根據(jù)執(zhí)行結(jié)果產(chǎn)生的條件碼決定是否轉(zhuǎn)向 L k+1： … … ： … L： … 執(zhí)行 k 轉(zhuǎn)移不成功 分析 k+1 執(zhí)行 k+1 分析 k 執(zhí)行 k 成功， L 在先行指令緩沖棧中 分析 L 執(zhí)行 L 分析 k 執(zhí)行 k 成功， L 不在先行指令緩沖棧中 取指令 L 分析 L 執(zhí)行 L BNE 指令必須等 CPX 指令的結(jié)果 才能判斷出 是轉(zhuǎn)移 還是順序執(zhí)行 LDA 0 LDX 0 INX CPX N BNE M DIV N STA ANS ADD X, D M WO EI FO CO DI WO EI FO DI FI FI DI FI CO FI FO CO DI FI WO EI FO CO DI FI DI FO EI WO EI FO CO FI DI CO WO DI FI CO FI 指令 1 指令 2 指令 3 指令 4 指令 5 指令 6 指令 7 指令 15 指令 16 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 轉(zhuǎn)移損失 t 設(shè) 指令 3 是轉(zhuǎn)移指令 1. 吞吐率（ TP） 指在單位時(shí)間內(nèi)流水線完成的任務(wù)數(shù)或輸出的結(jié)果數(shù)。 knTPT?其中： n表示任務(wù)數(shù) Tk表示完成 n個(gè)任務(wù)所用的時(shí)間 五、流水線性能 假設(shè)各段時(shí)間均相等的流水線 ? 各段時(shí)間均相等的流水線 時(shí)空?qǐng)D S1 S2 S3 S4 △ t △ t △ t △ t S 1 S 2 S 3 S 4 空間 時(shí)間 1 （ 單位：△ t ） 1 1 1 2 2 2 2 3 3 3 3 n 1 n 1 n 1 n 1 n n n n … … … … … … … … k △ t ( n 1) △ t T k 時(shí)間 4△ t (n1)△ t 完成 n個(gè)任務(wù) n個(gè)任務(wù)所需要的時(shí)間 S1 S2 S3 S4 空間 時(shí)間 1 （ 單位：△ t ） 1 1 1 2 2 2 2 3 3 3 3 n 1 n 1 n 1 n 1 n n n n … … … … … … … … k △ t