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文档简介
1、浅析流水线冲突及解决方案目录1、流水线的概念2、流水线的分类3、经典的5段流水线4、指令相关5、流水线冲突与解决方案1、流水线的概念流水线:把一个重复的过程分解为若干子过程,每个子过程由专门的功能部件来实现。将多个处理过程在时间错开,依次通过各功能段,每个子过程就可以与其他子过程并行进行。2、流水线的分类(1)按照流水线完成的功能来分类单功能流水线 多功能流水线(2)按照流水线中是否有反馈回路分类线性流水线 非线性流水线2、流水线的分类(3)按照任务流入流出的顺序是否相同分类顺序流水线 乱序流水线(4)按照流水线级别分类部件级流水线 处理机级流水线 处理机间流水线3、经典5段流水线 IMReg
2、DMRegALUIF段ID段EX段MEM段WB段流水寄存器(1)取指令周期(IF):根据PC指示的地址从存储器中取出指令并放入指令寄存器IR,同时PC值加4,指向顺序的下一条指令。(2)指令译码/读寄存器周期(ID):对指令进行译码,并用IR中的寄存器编号去访问通用寄存器组。(3)执行/有效地址计算周期(EX):AUL对在上一周期准备好的操作数进行运算或处理。3、经典5段流水线(4)存储器访问/分支完成周期(MEM)load和store指令Load指令:用上一周期计算出的有效地址从存储器中读取相应数据。Store指令:把指定数据写入此有效地址所指出的存储单元。分支指令若前一周期判定该分支成功,
3、就把转移目标地址送入PC。(5)写回周期(WB):ALU运算指令和load指令在这个周期会把结果数据写入通用寄存器。4、指令相关相关:指两条指令之间存在某种依赖关系。3种类型:数据相关、名相关、控制相关(1)数据相关依次存在两条指令i(在前)和j(在后),若指令j使用指令i产生的结果或指令j与k数据相关,而k又与指令i数据相关,则称j与i数据相关。4、指令相关(2)名相关名:指指令所访问的寄存器或存储单元名称。名相关:指两条指令使用的名相同,但没有数据流动,则称它们名相关。4、指令相关(3)控制相关控制相关是指由分支指令引起的相关。它需要根据分支指令的执行结果来确定后续指令是否执行。一般说来,
4、为确保程序应有的执行顺序,必须严格按控制相关确定的顺序执行5、流水线冲突及解决方案流水线冲突:指对于具体的流水线来说,由于相关的存在,使得指令流中的下一条指令不能在特定的时钟周期执行。流水线冲突有三种类型:结构冲突、数据冲突、控制冲突。5、流水线冲突及解决方案(1)结构冲突定义:因硬件资源满足不了指令重叠执行的要求而发生的冲突。解决方案:a、可以在前一个指令访问存储器时,将流水线停顿一个时钟,推迟后面取指令的操作。停顿周期称为“流水线气泡”。b、在流水线处理机中设置相互独立的指令。存储器和数据存储器5、流水线冲突及解决方案指令编指令编号号时钟周期时钟周期12345678910指令iIFIDEXMEMWB指令i+1IFIDEXMEMWB指令i+2IFIDEXMEMWB指令i+3stallIFIDEXMEMWB指令i+4IFIDEXMEM指令i+5IFIDEXMEM指令停顿表5、流水线冲突及解决方案(2)数据冲突定义:当指令在流水线重叠执行时,因需要用到前面的执行结果而发生的冲突。分类:写后读冲突、写后写冲突、读后写冲突。解决方案:通过定向技术减少数据冲突引起的停顿。设置流水线互锁机制。5、流水线冲突及解决方案依靠编译器解决数据冲突5、流水线冲突及解决方案(3)控制冲突定义:流水线遇到分支指令和其他会改变PC值的指令所引起的冲突。解决方案:最简单的方法是“冻
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