计算机组成原理指令流水线的详细介绍

指令流水线

基本概念

• 多条指令的执行方式

  • 顺序执行方式

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      • 在取指过程中，取指部件忙碌而执行部件是空闲的

  • 一次重叠执行方式

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  • 二次重叠执行方式

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• 流水线的表示方式

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• 流水线特点

  • 一个大任务分解成多个小任务，多个功能部件并行工作
  • 流水线处理的必须是连续任务
  • 每个流水段后面都有一个锁存器来保存本流水段的执行结果，提供给下一个流水段使用
  • 必须要有装入时间和排空时间

流水线的分类

• 从使用级别分类：

  • 部件功能级流水

    • 将算术逻辑运算转化为流水线工作方式

      • 如：浮点加法操作分成求阶差，对阶，尾数相加，以及结果规格化4个子过程

  • 处理机级流水

    • 把一条指令的解释过程分为多个子过程

      • 如：取指，译码，执行，访存，写回，5个子过程

  • 处理机间流水

    • 宏流水，每个处理机完成一个专门任务，各个处理机得到的结果存放在下一个处理机共享的存储器中

• 从功能方面分类：

  • 单功能流水：只完成一种专门功能

  • 多功能流水：同时或不同时实现多种功能的流水线

• 从连接方式分类：

  • 静态流水：只能按同一种功能的连接方式工作

  • 动态流水：某段在进行一个操作时，另一段在进行另一个操作

• 从反馈信号分类

  • 线性流水：每个功能只允许经过一次

  • 非线性流水：某些功能功能段将数次通过流水线

影响流水线的因素

• 1.结构相关/资源冲突

  • 原因

    • 多条指令在同一时刻争用同一资源（取址和取数部件争用内存）

  • 解决

    • 后一相关指令暂停一周期

    • 数据存储器和指令存储器分开

      • 指令存储器设置为IM，数据存储器设置为DM

    • 预取技术

      • 提前取出多条指令

• 2.数据相关/数据冲突

  • 原因

    • 在一个程序中，下一条指令会用到这一条指令计算的结果，此时两条指令即为数据冒险

  • 解决

    • 停顿

      • 硬件阻塞stall

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      • 软件插入NOP

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    • 设置相关专业通路–采用旁路技术

      • 直接取出上一条指令ALU中的计算结果作为自己的输入开始计算
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    • 编译器进行指令编译优化，调整指令顺序

• 3.控制相关/控制冲突

  • 原因

    • 当流水线遇到转移指令和其他改变PC值的指令而造成的断流，会引起控制相关
    • 下图中间这些红色部分指令都浪费了
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  • 解决

    • 对转移指令进行分支预测

      • 静态预测：总是预测条件不满足

      • 动态预测：根据程序执行的历史情况预测

超标量流水线

• 超标量流水线技术

  • 每个时钟周期并发多条独立指令，配置多个功能部件
  • 不能调整指令的执行顺序，通过编译优化技术（动态调度技术），把可以并行执行的指令搭配起来使用
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• 超流水技术

  • 一个时钟周期内再分段，一个时钟周期内一个功能部件使用多次
  • 不能调整顺序，靠优化
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• 超长指令字

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  • 编译器挖掘出指令间的并行性，将多条能并行执行的指令组合成一条
  • 多个处理部件，多个操作码字段