计组-5.6 指令流水线

5.6 指令流水线

基本概念

不同（指令）执行方式的总耗时

1.顺序执行方式

• 没有并行，一次只能执行一条指令。
• 总耗时=指令数n * 指令执行的总时间3t（3个阶段时间3t）
• =3nt

2.一次重叠方式

• 重叠了一个阶段的时间（第n个的最末阶段和第n+1个的最初阶段重叠）
• 总耗时：第一条指令all 3t，后面的(n-1)条指令都是 2t。
• =（1+2n）t

3.二次重叠执行方式

• 重叠了两个阶段。
• 总耗时：第一条指令all 3t，后面的(n-1)条指令都是 t。
• =（2+n）t

流水线的表示方法

• 指令执行过程图：分析影响流水线的因素？
• 时空图：分析流水线的性能

性能指标

吞吐率

• 单位时间流水线完成的任务数量。
• TP = 任务数n / 总时间Tk

加速比

• 不使用流水线和使用流水线所用时间的比
• S = 不使用流水线T₀ / 使用流水线Tk

效率

• 设备的利用率（空格数占比所有格子数）

以上性能指标都是建立在理想情况下的：①各阶段花费时间相同②每个阶段结束后立即进入下一阶段

但实际情况是②条件并不能满足？

影响因素

• （五段式）指令流水线：IF(instruction fetch),ID(ins.. decode)，EX(excute)，M(memory)，W(writeback)。
• 因为要固定100ns才到下一阶段，所以每个阶段后面都有一个缓存器（锁存器）

1.结构相关（资源冲突）

• 如：Load和Instr3指令的 Mem寄存器可以细分为Dm和Im就不会冲突了（或者Dcache/Icache）
• 其他的指令同上。

2.数据相关（数据冲突）

• 解决方法：
  • ①暂停相关指令：硬件阻塞
  • ①暂停相关指令：软件插入NOP（空指令）
  • ②数据旁路技术（转发机制）
  • ③编译优化，调整指令顺序 （原理同NOP，但是不像NOP一样单纯消耗时间）

3.控制相关（控制冲突）

• 当流水线 遇到转移指令和其他改变PC值的指令（eg中断） 而造成断流时，会引起控制相关

指令流水线的分类

• ①根据流水线使用级别

  • 处理机间流水线：一个CPU处理一个专门的任务，串行执行。
  • 处理机级流水线：把（一个）指令解释过程分成子过程，如取指译码执行访存写回5个子过程。
  • 部件功能级流水线：把复杂的算术逻辑运算分成多步执行。

• ②根据流水线可以完成的功能

  • 单功能流水线：只能实现一种功能的流水线

  • 多功能流水线：能够完成多种功能的流水线（如指令流水线）【同时或者不同时地完成】

    • ③按同一时间各功能段的连接方式：
      • 静态流水线：在同一时间内，流水线各段只能按同一种功能的连接方式工作
      • 动态流水线：在同一时间内，当某些段正在实现某种运算时，另一些段却在进行另一种运算。

• 按流水线的各功能段之间是否有反馈信号

  • 线性流水线：从输入到输出，每个功能段只允许经过一次，不存在反馈回路。
  • 非线性流水线：存在反馈回路，适合递归运算

流水线多发技术

超标量技术

• 每个时钟周期内，可以并行发射出多条指令。且不能调整指令执行顺序。（需要多个功能部件）

超流水技术

• 在一个时钟周期再分段
• 不能调整指令执行顺序

超长指令字

• 多条能并行操作的指令组合成一条

五段式指令流水线

不同类型指令的执行过程

运算类指令的执行过程

LOAD指令的执行过程