指令流水线

前言

第6章（指令流水线）主要介绍指令流水线的基本原理、流水段寄存器的概念、流水线数据通路的设计、流水线的控制信号、结构冒险及其处理、数据冒险及其处理、转发技术、控制冒险及其处理、分支预测原理、超标量和动态流水线的概念和技术。

流水线数据通路和控制逻辑

流水线的执行效率

• 流水线的组成：
  • 取指令IF(ifetch)—到内存取指令并计算PC+4，运用到加法器、内存、PC
  • 译码ID—取数同时译码
  • 取操作数OF—取数同时译码，运用到寄存器堆读口、译码器
  • 执行EX—计算地址，运用到加法器、扩展器（16位扩充至32位）、ALU
  • 写回WB—将数据写到寄存器，运用到寄存器堆写口

单周期指令

• 时钟周期=所有步骤所花时间—2+1+2+2+1=8ns
• 串行执行时，N条指令的执行时间：8Nns
• 每条指令只在一个周期内完成

流水线性能

• 时钟周期=最长的指令执行时间：2ns
• 流水线方式执行时，N条指令的时间：2（N-1）+10=（4+N）*2ns≈2Nns，所以N很大时，比串行方式快4倍
• 每条指令的执行时间：2ns*5=10ns,因此流水线不能缩短每一条指令的执行时间

流水线指令集的设计

• 指令长度一致—利于取指、译码
  • 如MIPS指令32位，取下一条指令为PC+4
• 格式规整，保证源寄存器的位置相同—利于指令未知时候取寄存器操作数。
  • 如，寄存器Rs和Rt的位置一定
• 采用装入/存储型（load/store)指令风格—利于减少操作步骤
• 内存中“对齐”存放—利于减少访存次数和流水线的规整
  • 地址是信息的整数倍，如MIPS指令为4字节32位，存放按4的倍数，即低2位是00，例如4（0100）和8（1000）

MIPS指令的流水段分析

• R-Type
  • 在ALU中对rs和rt内容运算，把运算结果送目的寄存器rd。遇到add和sub指令还要判断是否溢出，不溢出才写到rd
• I-Type
  • 立即数的运算类指令要对16位立即数进行符号扩展/零扩展，和rs内容运算，送到rt寄存器。
• J-Type
  • 无条件转移指令，直接将目标地址送PC中。

OP：操作码
rs：第一个源操作数寄存器
rt：第二个源操作数寄存器
rd：结果寄存器
shamt：移位指令的位移量
func：R-Type指令的OP字段是特定的“000000”，具体操作由func字段给定。例如：func=“100000”时，表示“加法”运算。
immediate：立即数或load/store指令和分支指令的偏移地址
target address：无条件转移地址的低26位。将PC高4位拼上26位直接地址，最后添2个“0”就是32位目标地址。

流水线冒险处理

高级流水线技术