【正文】 件浮 點 加 法 部 件轉 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 管 理 部 件指 令 快 表快 表 T L B地 址 部 件程 序 計 數(shù) 器通 用 寄 存 器 堆算 術 邏 輯 部 件 A L U裝 入 對 準 器 / 存 入 驅 動 器整 數(shù) 乘 法 / 除 法 部 件浮 點 除 法 部 件I B U S數(shù) 據(jù)標 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 結 構65 MIPS R4000的流水線有 8級，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)號要與 存儲器物理地址比較，相等即命中。對命中的 非存儲器操作指令，結果在 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標志檢驗寄 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 數(shù) 據(jù) ， D S ： 取 第 二 個 數(shù) 據(jù)T C ： 數(shù) 據(jù) 標 志 檢 驗 ， W B ： 寫 回 結 果圖 5 。 5 8 M I P S R 4 0 0 0 處 理 機 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、相關檢查，指令 cache標志檢查，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，計算數(shù)虛擬地址；如是轉移指令，計算轉移目標虛擬地址和檢查轉移條件 ? 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 ? 標志檢查 TC：為 load/store指令完成標志檢查 ? 寫回 WB：指令結果寫回寄存器堆 66 67 譯 碼數(shù) 據(jù)C a c h e標 志 標 志指 令C a c h e譯 碼存 入緩 沖 / 對 準 器寫 入 緩 沖 器浮 點寄 存 器 堆浮 點 流 水 線 專 用 通 路浮 點 控 制 寄 存 器浮 點 乘 法 部 件浮 點 加 法 部 件轉 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 管 理 部 件指 令 快 表快 表 T L B地 址 部 件程 序 計 數(shù) 器通 用 寄 存 器 堆算 術 邏 輯 部 件 A L U裝 入 對 準 器 / 存 入 驅 動 器整 數(shù) 乘 法 / 除 法 部 件浮 點 除 法 部 件I B U S數(shù) 據(jù)標 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 結 構68 MIPS R4000正常指令流水工作時序 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 前 C P U 周 期流 水線周 期主 時 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 序流水線充滿時：有 8條指令同時執(zhí)行，且一個時鐘周期分時發(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 器指 令 存 儲 器ALUR e g R e g指 令 存 儲 器ALUR e g R e g數(shù) 據(jù) 存 儲 器指 令 存 儲 器ALUR e g R e g數(shù) 據(jù) 存 儲 器指 令 存 儲 器ALU1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1時 間 （ 時 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 器70 從上圖可以看出，由于從存儲器中讀入的數(shù)據(jù)在 DS段的末尾才會有效，所以其載人延遲是 2個時鐘周期，如下圖所示： 指令序列 時鐘周期 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)行時空圖 72 對 R4000的流水線來說，定向（數(shù)據(jù)相關專用通路）是十分重要的。 在 R4000的流水線中， ALU輸入端的定向源有 4個： 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個時鐘周期 R e g R e g數(shù) 據(jù) 存 儲 器指 令 存 儲 器ALUR e g R e g數(shù) 據(jù) 存 儲 器指 令 存 儲 器ALUR e g R e g數(shù) 據(jù) 存 儲 器指 令 存 儲 器ALUR e g R e g數(shù) 據(jù) 存 儲 器指 令 存 儲 器ALUR e g數(shù) 據(jù) 存 儲 器指 令 存 儲 器ALU1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1時 間 （ 時 鐘 周 期 ）B Z指 令 1指 令 2指 令 3目 標指令序列 時鐘周期 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 IF IS RF EX DF 指令序列 時鐘周期 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空圖