【正文】 件浮 點(diǎn) 加 法 部 件轉(zhuǎn) 換 部 件求 平 方 根 部 件指 令 C a c h e控 制數(shù) 據(jù) C a c h e控 制流 水 線控 制存 儲(chǔ) 管 理 部 件指 令 快 表快 表 T L B地 址 部 件程 序 計(jì) 數(shù) 器通 用 寄 存 器 堆算 術(shù) 邏 輯 部 件 A L U裝 入 對(duì) 準(zhǔn) 器 / 存 入 驅(qū) 動(dòng) 器整 數(shù) 乘 法 / 除 法 部 件浮 點(diǎn) 除 法 部 件I B U S數(shù) 據(jù)標(biāo) 志地 址D B U S系 統(tǒng) 控 制D V AI V A圖 5 。 5 7 M I P S R 4 0 0 0 超 流 水 線 處 理 機(jī) 結(jié) 構(gòu)65 MIPS R4000的流水線有 8級(jí)，流水線操作如下圖： 指令 Cache：采用直接映像方式。從 Cache中讀出的區(qū)號(hào)要與 存儲(chǔ)器物理地址比較，相等即命中。對(duì)命中的 非存儲(chǔ)器操作指令，結(jié)果在 EX末尾得到。 指 令C a c h e指 令 譯 碼寄 存 器 堆A L U數(shù) 據(jù)C a c h e標(biāo)志檢驗(yàn)寄 存器 堆I FI S R FE XD FD ST CW BI F ： 取 第 一 條 指 令 ， I S ： 取 第 二 條 指 令 ， R F ： 讀 寄 存 器 堆 ， 指 令 譯 碼E X ： 執(zhí) 行 指 令 ， D F ： 取 第 一 個(gè) 數(shù) 據(jù) ， D S ： 取 第 二 個(gè) 數(shù) 據(jù)T C ： 數(shù) 據(jù) 標(biāo) 志 檢 驗(yàn) ， W B ： 寫 回 結(jié) 果圖 5 。 5 8 M I P S R 4 0 0 0 處 理 機(jī) 的 流 水 線 操 作取指令后一半 數(shù)據(jù) cache后一半 取指令前一半 數(shù)據(jù) cache前一半 二、工作原理 8個(gè)流水段的功能 ： ? 取指令前一半 IF：指令虛擬地址 IVA交指令 cache和 TLB ? 取指令后一半 IS：指令 cache送出指令和 TLB生成物理地址 ? 寄存器堆 RF：指令譯碼、相關(guān)檢查，指令 cache標(biāo)志檢查，從寄存器取操作數(shù) ? 指令執(zhí)行 EX：如是 RR指令， ALU完成操作；如是 load或store指令，計(jì)算數(shù)虛擬地址；如是轉(zhuǎn)移指令，計(jì)算轉(zhuǎn)移目標(biāo)虛擬地址和檢查轉(zhuǎn)移條件 ? 數(shù)據(jù) cache前一半 DF：數(shù)據(jù)虛擬地址 DVA交數(shù)據(jù) cache和TLB ? 數(shù)據(jù) cache后一半 DS：數(shù)據(jù) cache輸出數(shù)據(jù)和 TLB生成物理地址 ? 標(biāo)志檢查 TC：為 load/store指令完成標(biāo)志檢查 ? 寫回 WB：指令結(jié)果寫回寄存器堆 66 67 譯 碼數(shù) 據(jù)C a c h e標(biāo) 志 標(biāo) 志指 令C a c h e譯 碼存 入緩 沖 / 對(duì) 準(zhǔn) 器寫 入 緩 沖 器浮 點(diǎn)寄 存 器 堆浮 點(diǎn) 流 水 線 專 用 通 路浮 點(diǎn) 控 制 寄 存 器浮 點(diǎn) 乘 法 部 件浮 點(diǎn) 加 法 部 件轉(zhuǎn) 換 部 件求 平 方 根 部 件指 令 C a c h e控 制數(shù) 據(jù) C a c h e控 制流 水 線控 制存 儲(chǔ) 管 理 部 件指 令 快 表快 表 T L B地 址 部 件程 序 計(jì) 數(shù) 器通 用 寄 存 器 堆算 術(shù) 邏 輯 部 件 A L U裝 入 對(duì) 準(zhǔn) 器 / 存 入 驅(qū) 動(dòng) 器整 數(shù) 乘 法 / 除 法 部 件浮 點(diǎn) 除 法 部 件I B U S數(shù) 據(jù)標(biāo) 志地 址D B U S系 統(tǒng) 控 制D V AI V A圖 5 。 5 7 M I P S R 4 0 0 0 超 流 水 線 處 理 機(jī) 結(jié) 構(gòu)68 MIPS R4000正常指令流水工作時(shí)序 I F I S R F E X D F D S T C W BI F I S R F E X D F D S T C W BI F I S R F E X D F D S T C W BI F I S R F E X D F D S T C W BI F I S R F E X D F D S T C W BI F I S R F E X D F D S T C W BI F I S R F E X D F D S T C W BI F I S R F E X D F D S T C W B當(dāng) 前 C P U 周 期流 水線周 期主 時(shí) 鐘周 期圖 5 。 5 9 M I P S R 4 0 0 0 正 常 指 令 流 水 線 工 作 時(shí) 序流水線充滿時(shí)：有 8條指令同時(shí)執(zhí)行，且一個(gè)時(shí)鐘周期分時(shí)發(fā)射2條指令，或完成兩條指令，超流水線方式。 69 MIPS R4000流水線 指令序列在 MIPS R4000流水線中重疊執(zhí)行情況如圖所示 ： R e g R e g數(shù) 據(jù) 存 儲(chǔ) 器指 令 存 儲(chǔ) 器ALUR e g R e g指 令 存 儲(chǔ) 器ALUR e g R e g數(shù) 據(jù) 存 儲(chǔ) 器指 令 存 儲(chǔ) 器ALUR e g R e g數(shù) 據(jù) 存 儲(chǔ) 器指 令 存 儲(chǔ) 器ALU1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1時(shí) 間 （ 時(shí) 鐘 周 期 ）L W R 1指 令 1指 令 2A D D R 2 , R 1數(shù) 據(jù) 存 儲(chǔ) 器70 從上圖可以看出，由于從存儲(chǔ)器中讀入的數(shù)據(jù)在 DS段的末尾才會(huì)有效，所以其載人延遲是 2個(gè)時(shí)鐘周期，如下圖所示： 指令序列 時(shí)鐘周期 1 2 3 4 5 6 7 8 9 LW R1,10（ R4） IF IS RF EX DF DS TC WB ADD R2,R1,R3 IF IS RF stall stall EX DF DS SUB R3,R1,R5 IF IS stall stall RF EX DF OR R4,R1,R6 IF stall stall IS RF EX 71 指令序列在 R4000流水線中的執(zhí)行時(shí)空?qǐng)D 72 對(duì) R4000的流水線來說，定向（數(shù)據(jù)相關(guān)專用通路）是十分重要的。 在 R4000的流水線中， ALU輸入端的定向源有 4個(gè)： EX/DF、DF/DS、 DS/T和 TC/WB，如圖所示。 73 R4000流水線的基本分支延遲為 3個(gè)時(shí)鐘周期 R e g R e g數(shù) 據(jù) 存 儲(chǔ) 器指 令 存 儲(chǔ) 器ALUR e g R e g數(shù) 據(jù) 存 儲(chǔ) 器指 令 存 儲(chǔ) 器ALUR e g R e g數(shù) 據(jù) 存 儲(chǔ) 器指 令 存 儲(chǔ) 器ALUR e g R e g數(shù) 據(jù) 存 儲(chǔ) 器指 令 存 儲(chǔ) 器ALUR e g數(shù) 據(jù) 存 儲(chǔ) 器指 令 存 儲(chǔ) 器ALU1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1時(shí) 間 （ 時(shí) 鐘 周 期 ）B Z指 令 1指 令 2指 令 3目 標(biāo)指令序列 時(shí)鐘周期 1 2 3 4 5 6 7 8 9 分支指令 IF IS RF EX DF DS TC WB 延遲槽 IF IS RF EX DF DS TC WB 暫停 stall stall stall stall stall stall stall 暫停 stall stall stall stall Stall stall 分支目標(biāo) IF IS RF EX DF 指令序列 時(shí)鐘周期 1 2 3 4 5 6 7 8 9 分支指令 IF IS RF EX DF DS TC WB 延遲槽（分支指令 +1） IF IS RF EX DF DS TC WB 分支指令 +2 IF IS RF EX DF DS TC 分支指令 +3 IF IS RF EX DF DS 74 基于單周期延遲分支方法， R4000流水線處理分支指令的時(shí)空?qǐng)D