5.6 指令流水线

1.基本概念

不同（指令）执行方式的总耗时

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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

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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

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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

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流水线的表示方法

  • 指令执行过程图：for分析影响流水线的因素
  • 时空图：for分析流水线的性能

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2.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==

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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

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效率

  • 设备的利用率（==空格数占比于所有格子数==）

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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==

3.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==缓存寄存器==（锁存器）
    • 【锁存器：==作用是保存本段流水段的执行结果，提供给下一流水段使用。==】

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1.结构冒险（资源冲突）

  • ==由于多条指令在同一时刻争用同一资源造成的冲突。==
  • 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）
  • 解决方法：
    • ①后面的那个指令暂停一周期。
    • ②存储器分类：数据存储器和指令存储器。

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2.数据冒险（数据冲突）

  • ==必须等前一条指令执行完才能执行后一条指令的情况==

  • 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）==【转发技术不能解决load-use类型的数据冒险】==
    • 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）

  • 例题：如果ALU运算指令的某个操作数，是，分支指令转移后的执行结果，就有可能发生数据冒险。

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3.控制冒险（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。==
  • 解决方法：

    • ① ==转移指令分支预测==。简单预测（T/F，假定分支总是发生或者不发生），动态预测（根据历史情况调整）

      • （note：预测错误时，已被错误放入流水线执行的指令必须舍弃）

    • ② ==插入空操作==【使条件转移指令的结果提前确定（在取下一条有效指令之前确定），从而避免断流】

  • 例题：流水段的数量越多，发生错误导致转移的情况越多，控制冒险越多。

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4.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。

③ 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

5.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）

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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

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超长指令字

  • 多条能并行操作的指令组合成一条

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6.五段式指令流水线

不同类型指令的执行过程

运算类指令的执行过程

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LOAD指令的执行过程

补充

  • 流水CPU利用的是：时间并行性

  • ==RISC==都采用了流水线技术，但反之不成立。

  • 流水CPU是：非常经济的。

  • 时钟信号不仅仅作用在流水段寄存器上，还用在PC，各类寄存器，存储器上面的。

  • 流水线按序流动，肯定不会出现先读后写（WAR），先写后写（WAW），只可能出现没等到上一条的结果就读寄存器的错误（RAW）