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1、计算机体系结构计算机体系结构 1 1 国家精品资源共享课程：计算机体系结构国家精品资源共享课程：计算机体系结构 第三章：流水线技术第三章：流水线技术 国防科技大学计算机学院 主讲人： 教授 计算机体系结构计算机体系结构 2 2 第三章第三章 流水线技术流水线技术 计算机体系结构计算机体系结构 3 3 3.2 MIPS3.2 MIPS基本流水线基本流水线 3.2.1 MIPS MIPS的一种简单实现的一种简单实现 3.2.2 基本MIPS流水线 3.2.3 流水线性能分析 计算机体系结构计算机体系结构 4 4 图3.9给出了实现MIPS指令的一种简单数据通路 u这是一种非流水方式 u将指令执行划
2、分为5个阶段 取指令周期 指令译码/读寄存器周期 执行/有效地址计算周期 存储器访问/分支完成周期 写回周期 3.2.1 MIPS3.2.1 MIPS的一种简单实现的一种简单实现 计算机体系结构计算机体系结构 5 5 1.取指令周期(IF) 操作为： 根据PC值从存储器中取出指令，并将指令送入指令 寄存器IR；PC值增加4，指向顺序的下一条指令， 并将下一条指令的地址放入临时寄存器NPC中。 IRMemPC NPCPC+4 图示 计算机体系结构计算机体系结构 6 6 2.指令译码/读寄存器周期(ID) 操作为： 进行指令译码，读IR寄存器（指令寄存器），按照 相应寄存器号读寄存器文件，并将读出
3、结果放入两 个临时寄存器A和B中。同时对IR寄存器中内容的低 16位进行符号扩展，然后将符号扩展之后的32位立 即值保存在临时寄存器Imm中。 ARegsIR610 BRegsIR1115 Imm(IR16)16#IR1631) MIPS的固定字段译码技术:图示 计算机体系结构计算机体系结构 7 7 3.执行/有效地址计算周期(EX) 操作为： 存储器访问：ALUoutputA+Imm 寄存器-寄存器ALU：ALUoutputA op B 寄存器-立即值ALU:ALUoutputA op Imm 分支操作：ALUoutputNPC+Imm Cond(A op 0) 问题：为什么执行和有效地址计
4、算可以合并？ 计算机体系结构计算机体系结构 8 8 4.访存/分支操作完成周期(MEM) 操作为： 访存操作： Load：LMDLMDMEMALUoutput Store：MemALUoutputB 分支操作：if (Cond) PCALUoutput else PCNPC 计算机体系结构计算机体系结构 9 9 5.写回周期(WB) 操作为： 寄存器-寄存器型ALU指令： RegIR1620ALUoutput 寄存器-立即值型ALU指令： RegIR1115ALUoutput Load指令： RegIR1115LMD 计算机体系结构计算机体系结构 1010 6.性能分析 在该数据通路上， 分支
5、指令需要4个时钟周期 其它指令需要5个时钟周期 假设分支指令占总指令数的12%，问CPI=? CPI=412%+5(1-12%)=4.88 结论：就性能和硬件开销而言，上述实现不是一种 优化实现！ 计算机体系结构计算机体系结构 1111 7.改进方法 u在Mem周期完成ALU指令 u假设ALU指令数占指令总数的44%，则在时钟周 期时间不变的同时，CPI可以降低至4.4 u如要进一步降低CPI，可能会增加时钟周期时间 u采用单周期实现，可以将CPI降低为1，但时钟周 期时间却会增加为原来的5倍 一般不采用这种方法，为什么？ u流水技术 计算机体系结构计算机体系结构 1212 1.一种简单的MI
6、PS流水线 将3.2.1中的数据通路流水化，使得 u数据通路中的每一个周期就成为流水线的一段 u每个时钟周期启动一条指令 得到了一条简单的MIPS流水线。 简单MIPS流水线的流水过程： u时-空图 u按时间错开的数据通路 3.2.2 3.2.2 基本的基本的MIPSMIPS流水线流水线 计算机体系结构计算机体系结构 1313 3.实现流水技术应解决的一些问题 （1）应保证流水线各段不会在同一时钟周期内使用 相同的寄存器通路资源。 u例如，不能要求一个ALU既做有效地址计算，又 做减法操作 uIF与Mem两个阶段都要访问存储器，怎样避免 访存冲突？ uID和WB两个阶段都要访问寄存器，是否存在
7、冲 突？怎样避免？ 计算机体系结构计算机体系结构 1414 （2）PC计算问题 为了能够在每个时钟周期启动一条新的指令，流 水线必须在IF段获得下一条指令的地址，并将其 保存在PC中。 但是，分支指令会改变PC的值，而且只有在 Mem段结束时，这个新值才会被写入PC，出现 矛盾。 解决方法： 改变数据通路，在IF段完成PC计算。但分支指令 如何处理？ 计算机体系结构计算机体系结构 1515 （3）合理划分流水段，每段内的操作都必须在一个 时钟周期内完成。 （4）流水线寄存器设计 u为防止寄存器中的值在为流水线中某条指令所用 时被流水线中其它的指令所重写，可在流水线各 段之间设置流水线寄存器文件
8、，也称锁存器。 u流水线寄存器文件的命名 u段A与B之间的流水线寄存器文件称为A/B u流水线寄存器的作用 u流水线寄存器文件的构成 计算机体系结构计算机体系结构 1616 3.MIPS流水线的操作 在任一时刻，流水中的指令仅在流水线中的某一段 内执行操作。 因此，只要知道每一流水段在各指令下进行何种操 作，就知道了整个流水线的操作。 P67 表3.1给出了MIPS流水线中每一段的操作 计算机体系结构计算机体系结构 1717 4.MIPS流水线中多路选择器的控制 主要是确定如何控制那四个多路选择器： uALU输入端的两个MUX由ID/EX.IR所指出的指 令类型控制 uIF段的MUX由EX/M
9、EM.Cond域的值控制 uWB段的MUX由当前指令类型(Load/ALU)控制 计算机体系结构计算机体系结构 1818 计算机体系结构计算机体系结构 1919 计算机体系结构计算机体系结构 2020 计算机体系结构计算机体系结构 2121 计算机体系结构计算机体系结构 2222 计算机体系结构计算机体系结构 2323 计算机体系结构计算机体系结构 2424 计算机体系结构计算机体系结构 2525 计算机体系结构计算机体系结构 2626 计算机体系结构计算机体系结构 2727 计算机体系结构计算机体系结构 2828 计算机体系结构计算机体系结构 2929 图3.10 一种简单的MIPS流水线
10、指令编号时钟周期 123456789 指令iIFIDEXMEMWB 指令i+1IFIDEXMEMWB 指令i+2IFIDEXMEMWB 指令i+3IFIDEXMEMWB 指令i+4IFIDEXMEMWB 计算机体系结构计算机体系结构 3131 计算机体系结构计算机体系结构 3535 计算机体系结构计算机体系结构 3636 计算机体系结构计算机体系结构 3737 流水段 表3.1 MIPS流水线的每个流水段的操 作 任何指令类型 ALU 指令Load/Store 指令分支指令 IF ID EX IF/ID.IR MemPC IF/ID.NPC,PC (if EX/MEM.condEX/MEM.A
11、LUOutput else PC+4); ID/EX.A RegsIF/ID.IR6.10; ID/EX.B RegsIF/ID.IR11.15; ID/EX.NPC IF/ID.NPC; ID/EX.IR IF/ID.IR; ID/EX.Imm (IR16)16#IR16.31; EX/MEM.IR ID/EX.IR; EX/MEM.ALUOutput ID/EX.A op ID/EX.B 或 EX/MEM.ALUOutput ID/EX.A op ID/EX.Imm; EX/MEM.cond 0; EX/MEM.IR ID/EX.IR; EX/MEM.B ID/EX.B EX/MEM.AL
12、UOutput ID/EX.A + ID/EX.Imm; EX/MEM.cond 0; EX/MEM.ALUOutput ID/EX.NPC+ID/EX.Imm; EX/MEM.cond (ID/EX.A op 0); 流水段 表3.1 MIPS流水线的每个流水段的操作（续 ） 任何指令类型 ALU 指令Load/Store 指令分支指令 MEM WB MEM/WB.IR EX/MEM.IR; MEM/WB.ALUOutput EX/MEM.ALUOutput; MEM/WB.IR EX/MEM.IR; MEM/WB.LMD MemEX/MEM.ALUOutput; 或 MemEX/MEM.ALUOutput EX/MEM.B; RegsMEM/WB.IR16.20 MEM/WB.ALUOutput; 或 RegsMEM/WB.IR11.15 MEM/WB.ALUOutput; RegsMEM/WB.IR11.15 MEM/WB.LMD; 计算机体系结构计算机体系结构 4141 计算机体系结构计算机体系结构 4242 谢谢！
