第六章-流水线处理机及其设计

6流水线处理机及其设计6.1引言S:性能加速比I:一个程序被执行的总的指令条数CPI:每条指令总体平均所需的时钟周期数CPInp:非流水线处理机的CPICPIp:流水线处理机的CPIm:一条指令执行分成级T:每个时钟周期的时间长度12345123451234512345123451234512345123451234512345123451121231122123452333444556指令系统6.2.1流水线级

6.2流水线处理机的数据路径

流水线是m级每一级的时间是t执行n条指令写出非流水线操作时，所需时间公式写出流水线操作时，所需时间公式1.T=nmt2.T=mt+(n-1)t3.S=流水线性能/非流水线性能

=nmt/(mt+(n-1)t)=nm/(m+n-1)=m/(m/n-1/n+1)=mAddrd,rs1,rs2;Addird,rs1,immeStorerd,rs1,immeLoadrd,rs1,imme6.2.2流水线各级的操作1.IF级2.ID级3.EXE级4.MEM级5.WB级2.ID级3.EXE级4.MEM级5.WB级0：Addr1,r2,r3;1：Subr4,r5,r6;2：Andr7,r8,r9;3：Addir10,r11,45;4：Orir12,r13,43;Loadrd,rs1,rs2;Loadrd,rs1,imme;Storerd,rs1,imme;6.3.1算术操作和存储器访问控制

6.3流水线处理机的控制R1<=r2+4

6.3.2流水线转移指令控制bne

disp(branchonnotequaltozero)

IfZ,pc=pc+dispbeq

disp(branchonequaltozero)

IfZ,pc=pc+dispbranchdisp(unconditionalbranch)pc=pc+dispSubr1,r1,1;nop;bneloop;nop;…branchti;nop;Subrd,rs1,rs2;Bne

dispLoad….Add…..

6.3.3流水线各级信号的产生流水线中的相关及解决办法结构相关问题数据相关问题转移相关问题6.4结构相关及解决办法存储器相关写寄存器相关读寄存器相关存储器相关现象解决办法现象解决办法写寄存器相关现象解决办法现象现象解决办法ALU指令用5个周期寄存器堆有两个写端口改造loadrd，(imm)rs1=>loadrd,(rs1)寄存器堆有两个写端口改造

loadrd，(imm)rs1=>loadrd,(rs1)

读寄存器相关现象解决办法现象storerd,(rs1,rs2)解决办法6.5数据相关及解决办法6.5.1数据相关问题(现象)6.5.2暂停数据相关流水线6.5.3提高流水线处理机的性能---

内部前推6.5.4处理load指令----

暂停与内部前推想结合

6.5.1数据相关6.5.2暂停数据相关流水线检测出数据相关DEPEN=A_DEPEN+B_DEPENA_DEPEN=EXE_A_DEPEN+MEM_A_DEPEN暂停流水线要做以下3件事情封锁当前正在译码的指令的写控制信号；不把从存储器取来的下一条指令打入IR；不改变当前PC值。6.5.3提高流水线处理机的性能内部前推1.转移指令或存储指令2.转移指令或存储指令3.任意指令不相关1.非转移指令或存储指令2.转移指令或存储指令3.任意指令4.不相关1.非转移指令或存储指令2.转移指令或存储指令3.任意指令相关6.5.4处理load指令----暂停与内部前推想结合6.6转移