文章目錄

• • • 1 指令流水線基本概念性能指標(biāo)
    • • 1.1 指令流水的定義
      • • • 1.1.1 指令分法
          • 1.1.2 指令執(zhí)行時(shí)間
      • 1.2 流水線的表示方法
      • 1.3 流水線的性能指標(biāo)
    • 2 指令流水線影響因素分類
    • • 2.1 機(jī)器周期的設(shè)置
      • 2.2 影響流水線的因素
      • • • 2.2.1 數(shù)據(jù)相關(guān)（數(shù)據(jù)沖突）三種類型
          • 2.2.2 流水線影響因素小結(jié)
      • 2.3 流水線的分類
      • 2.4 流水線的多發(fā)技術(shù)
      • 2.5 指令流水線小結(jié)

1 指令流水線基本概念性能指標(biāo)

1.1 指令流水的定義

1.1.1 指令分法

一條指令的執(zhí)行過程可以分成多個(gè)階段（或過程）。
根據(jù)計(jì)算機(jī)的不同，具體的分法也不同。

取指分析執(zhí)行

• 取指：根據(jù)PC內(nèi)容訪問主存儲(chǔ)器，取出一條指令送到IR中。
• 分析：對(duì)指令操作碼進(jìn)行譯碼，按照給定的尋址方式和地址字段中的內(nèi)容形成操作數(shù)的有效地址EA，并從有效地址EA中取出操作數(shù)。
• 執(zhí)行：根據(jù)操作碼字段，完成指令規(guī)定的功能，即把運(yùn)算結(jié)果寫到通用寄存器或主存中。

以上分法特點(diǎn)是：每個(gè)階段用到的硬件不一樣。

1.1.2 指令執(zhí)行時(shí)間

設(shè)取指、分析、執(zhí)行3個(gè)階段的時(shí)間都相等，用t表示，按以下幾種執(zhí)行方式分析n條指令的執(zhí)行時(shí)間：

順序執(zhí)行方式 總耗時(shí) T=nx3t=3nt

傳統(tǒng)馮·諾依曼機(jī)采用順序執(zhí)行方式，又稱串行執(zhí)行方式。

優(yōu)點(diǎn)：控制簡(jiǎn)單，硬件代價(jià)小。
缺點(diǎn)：執(zhí)行指令的速度較慢，在任何時(shí)刻，處理機(jī)中只有一條指令在執(zhí)行，各功能部件的利用率很低。

一次重疊執(zhí)行方式 總耗時(shí)T=3t+（n-1）×2t=（1+2n）t 只有第一條指令3t，后面n-1條每隔2t

優(yōu)點(diǎn)：程序的執(zhí)行時(shí)間縮短了1/3，各功能部件的利用率明顯提高。
缺點(diǎn)：需要付出硬件上較大開銷的代價(jià)，控制過程也比順序執(zhí)行復(fù)雜了。

二次重疊執(zhí)行方式 總耗時(shí)T=3t+（n-1）×t=（2+n）t 只有第一條指令3t，后面n-1條每隔t

與順序執(zhí)行方式相比，指令的執(zhí)行時(shí)間縮短近2/3。這是一種理想的指令執(zhí)行方式，在正常情況下，處理機(jī)中同時(shí)有3條指令在執(zhí)行。

注：也可以把每條指令的執(zhí)行過程分成4個(gè)或5個(gè)階段，分成5個(gè)階段是比較常見的做法。

1.2 流水線的表示方法

指令執(zhí)行過程圖

主要用于分析指令執(zhí)行過程以及影響流水線的因素

時(shí)空?qǐng)D

不同的階段占用不同的資源，有幾個(gè)階段，縱坐標(biāo)就有幾個(gè)位置

主要用于分析流水線的性能

1.3 流水線的性能指標(biāo)

（1）吞吐率
（2）加速比
（3）效率

吞吐率

• 吞吐率是指在單位時(shí)間內(nèi)流水線所完成的任務(wù)數(shù)量，或是輸出結(jié)果的數(shù)量。
• 設(shè)任務(wù)數(shù)為n；處理完成n個(gè)任務(wù)所用的時(shí)間為T_k
• 則計(jì)算流水線吞吐率（TP）的最基本的公式為TP=n/T_k

理想情況下，流水線的時(shí)空?qǐng)D如下：

理想情況：

各階段花費(fèi)時(shí)間相同
每個(gè)階段結(jié)束后能立即進(jìn)入下一階段
一條指令的執(zhí)行分為k個(gè)階段，每個(gè)階段耗時(shí)Δt，一般取Δt=一個(gè)時(shí)鐘周期

T_k=（k+n-1）Δt
第一條指令kΔt時(shí)間結(jié)束，其余n-1條指令每隔Δt時(shí)間執(zhí)行
流水線的實(shí)際吞吐率為TP=n /（k+n-1）Δt

當(dāng)連續(xù)輸入的任務(wù)n→oo時(shí)，得最大吞吐率為TP_max=1/Δt

• 第一條指令執(zhí)行的時(shí)間→裝入時(shí)間
• 最后一條指令從輸入到執(zhí)行完成的時(shí)間→排空時(shí)間
• 裝入時(shí)間和排空時(shí)間中間的那塊時(shí)間，流水線是最理想的狀態(tài)，每一個(gè)時(shí)刻，每個(gè)功能部件都被占用，并且可以保證每隔Δt時(shí)間就有一個(gè)任務(wù)被提交

加速比

• 加速比表示完成同樣一批任務(wù)，不使用流水線所用的時(shí)間與使用流水線所用的時(shí)間之比。

設(shè) To 表示不使用流水線時(shí)的執(zhí)行時(shí)間，即順序執(zhí)行所用的時(shí)間；
T_k 表示使用流水線時(shí)的執(zhí)行時(shí)間
則計(jì)算流水線加速比（S）的基本公式為S=To / T_k

單獨(dú)完成一個(gè)任務(wù)耗時(shí)為kΔt，則順序完成n個(gè)任務(wù)耗時(shí)To=nkΔt

T_k=（k+n-1）Δt
實(shí)際加速比為S=knΔt/（k+n-1）Δt =kn/ k+n-1

當(dāng)連續(xù)輸入的任務(wù)n→oo時(shí)，最大加速比為S_max=k。
表示一個(gè)充分流動(dòng)的流水線，它的工作能力是原來不使用流水線的k倍

效率

• 流水線的設(shè)備利用率稱為流水線的效率。
• 在時(shí)空?qǐng)D上，流水線的效率定義為完成n個(gè)任務(wù)占用的時(shí)空區(qū)有效面積與n個(gè)任務(wù)所用的時(shí)間與k個(gè)流水段所圍成的時(shí)空區(qū)總面積之比。

效率轉(zhuǎn)化為：順序完成n個(gè)任務(wù)耗時(shí)To=nkΔt/k倍使用流水線的時(shí)間

• 效率=紅/藍(lán) 表示使用的設(shè)備占所有總設(shè)備的比率
  總=長(zhǎng)T_kX寬k

當(dāng)連續(xù)輸入的任務(wù)n→oo時(shí)，最高效率為E_max=1。

2 指令流水線影響因素分類

2.1 機(jī)器周期的設(shè)置

為方便流水線的設(shè)計(jì)，將每個(gè)階段的耗時(shí)取成一樣，以最長(zhǎng)耗時(shí)為準(zhǔn)。
即此處應(yīng)將機(jī)器周期設(shè)置為100ns。

流水線每一個(gè)功能段部件后面都要有一個(gè)緩沖寄存器，或稱為鎖存器，其作用是保存本流水段的執(zhí)行結(jié)果，提供給下一流水段使用。

設(shè)置鎖存器的目的：設(shè)計(jì)流水線時(shí)，在這條指令處于當(dāng)前階段時(shí)，另一條指令是在用下一階段的資源，如果這條指令這一階段數(shù)據(jù)提前流入下一階段，會(huì)破壞當(dāng)前指令的指令

2.2 影響流水線的因素

（1）結(jié)構(gòu)相關(guān)（資源沖突）
（2）數(shù)據(jù)相關(guān)（數(shù)據(jù)沖突）
（3）控制相關(guān)（控制沖突）

結(jié)構(gòu)相關(guān)（資源沖突）

由于多條指令在同一時(shí)刻爭(zhēng)用同一資源而形成的沖突稱為結(jié)構(gòu)相關(guān)。

解決辦法：

后一相關(guān)指令暫停一周期

資源重復(fù)配置：數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器+指令存儲(chǔ)器

數(shù)據(jù)相關(guān)（數(shù)據(jù)沖突）

數(shù)據(jù)相關(guān)指在一個(gè)程序中，存在必須等前一條指令執(zhí)行完才能執(zhí)行后一條指令的情況，則這兩條指令即為數(shù)據(jù)相關(guān)。

解決辦法：

把遇到數(shù)據(jù)相關(guān)的指令及其后續(xù)指令都暫停一至幾個(gè)時(shí)鐘周期，直到數(shù)據(jù)相關(guān)問題消失后再繼續(xù)執(zhí)行?？煞譃橛布枞?#xff08;stall）和軟件插入“NOP”兩種方法。

數(shù)據(jù)旁路技術(shù)。

編譯優(yōu)化：通過編譯器調(diào)整指令順序來解決數(shù)據(jù)相關(guān)。

數(shù)據(jù)相關(guān)（數(shù)據(jù)沖突）例題：

假設(shè)某指令流水線采用“按序發(fā)射（即不能把后面的指令移到前面執(zhí)行，如果發(fā)生沖突，只能等待），按序完成”方式，沒有采用轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)（也叫數(shù)據(jù)旁路技術(shù)）處理數(shù)據(jù)相關(guān)，并且同一寄存器的讀和寫操作不能在同一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)進(jìn)行。若高級(jí)語言程序中某賦值語句為x=a+b，x、a和b均為int型變量，它們的存儲(chǔ)單元地址分別表示為[x]、[a]和[b]。該語句對(duì)應(yīng)的指令序列及其在指令流中的執(zhí)行過程如下圖所示。

I1 I2 I3 I4指令表示含義：

解答：I3與I1和I2存在數(shù)據(jù)相關(guān)，I4和I3存在數(shù)據(jù)相關(guān)

說明：對(duì)于相關(guān)的指令而言，只有等到相關(guān)的數(shù)據(jù)寫回之后，才可以開始這條指令的譯碼，取指有序進(jìn)行，取指結(jié)束發(fā)現(xiàn)相關(guān)，是譯碼階段被延遲

2.2.1 數(shù)據(jù)相關(guān)（數(shù)據(jù)沖突）三種類型

數(shù)據(jù)的基本操作：讀（R）、寫（W）
沖突的基本類型：RAW（A代表after，倒過來念，寫后讀）、WAR（讀后寫）、WAW（寫后寫）

注：“按序發(fā)射，按序完成”時(shí)，只可能出現(xiàn)RAW相關(guān)。

控制相關(guān)（控制沖突）

當(dāng)流水線遇到轉(zhuǎn)移指令和其他改變PC值的指令而造成斷流時(shí)，會(huì)引起控制相關(guān)。

解決辦法：

盡早判別轉(zhuǎn)移是否發(fā)生，盡早生成轉(zhuǎn)移目標(biāo)地址

預(yù)取轉(zhuǎn)移成功和不成功兩個(gè)控制流方向上的目標(biāo)指令

加快和提前形成條件碼

提高轉(zhuǎn)移方向的猜準(zhǔn)率

2.2.2 流水線影響因素小結(jié)

2.3 流水線的分類

部件功能級(jí)、處理機(jī)級(jí)和處理機(jī)間級(jí)流水線

• 根據(jù)流水線使用的級(jí)別的不同，流水線可分為部件功能級(jí)流水線、處理機(jī)級(jí)流水線和處理機(jī)間流水線。
• 部件功能級(jí)流水就是將復(fù)雜的算術(shù)邏輯運(yùn)算組成流水線工作方式。例如，可將浮點(diǎn)加法操作分成求階差、對(duì)階、尾數(shù)相加以及結(jié)果規(guī)格化等4個(gè)子過程。
• 處理機(jī)級(jí)流水是把一條指令解釋過程分成多個(gè)子過程，如前面提到的取指、譯碼、執(zhí)行、訪存及寫回5個(gè)子過程。
• 處理機(jī)間流水是一種宏流水，其中每一個(gè)處理機(jī)完成某一專門任務(wù)，各個(gè)處理機(jī)所得到的結(jié)果需存放在與下一個(gè)處理機(jī)所共享的存儲(chǔ)器中。

單功能流水線和多功能流水線

• 按流水線可以完成的功能、流水線可分為單功能流水線和多功能流水線。
• 單功能流水線指只能實(shí)現(xiàn)一種固定的專門功能的流水線；
• 多功能流水線指通過各段間的不同連接方式可以同時(shí)或不同時(shí)地實(shí)現(xiàn)多種功能的流水線。

動(dòng)態(tài)流水線和靜態(tài)流水線

• 按同一時(shí)間內(nèi)各段之間的連接方式，流水線可分為靜態(tài)流水線和動(dòng)態(tài)流水線。
• 靜態(tài)流水線指在同一時(shí)間內(nèi)，流水線的各段只能按同一種功能的連接方式工作。
• 動(dòng)態(tài)流水線指在同一時(shí)間內(nèi)，當(dāng)某些段正在實(shí)現(xiàn)某種運(yùn)算時(shí)，另一些段卻正在進(jìn)行另一種運(yùn)算。這樣對(duì)提高流水線的效率很有好處，但會(huì)使流水線控制變得很復(fù)雜。

4.線性流水線和非線性流水線

• 按流水線的各個(gè)功能段之間是否有反饋信號(hào)，流永線可分為線性流水線與非線性流水線。
• 線性流水線中，從輸入到輸出，每個(gè)功能段只允許經(jīng)過一次，不存在反饋回路。
• 非線性流水線存在反饋回路，從輸入到輸出過程中，某些功能段將數(shù)次通過流水線，這種流水線適合進(jìn)行線性遞歸的運(yùn)算。

2.4 流水線的多發(fā)技術(shù)

超標(biāo)量技術(shù)

每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)可并發(fā)多條獨(dú)立指令
要配置多個(gè)功能部件
不能調(diào)整指令的執(zhí)行順序

通過編譯優(yōu)化技術(shù)，把可并行執(zhí)行的指令搭配起來

超流水技術(shù)

在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)再分段（3段）
在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)一個(gè)功能部件使用多次（3次）
不能調(diào)整指令的執(zhí)行順序
靠編譯程序解決優(yōu)化問題

超流水技術(shù)特點(diǎn)：流水線速度是原來速度的3倍

超長(zhǎng)指令字

由編譯程序挖掘出指令間潛在的并行性，
將多條能并行操作的指令組合成一條
具有多個(gè)操作碼字段的超長(zhǎng)指令（可達(dá)幾百位）

2.5 指令流水線小結(jié)

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的9 计算机组成原理第五章 中央处理器 指令流水线的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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