DLX的基本流水线课件

DLX的基本流水線3.2.1DLX的一種簡單實現首先討論在不流水的情況下，如何實現DLX。1.實現DLX指令的一種簡單數據通路

2.一條DLX指令最多需要以下5個時鐘週期：（1）取指令週期（IF）

IR←Mem[PC]

NPC←PC＋4

操作3.2DLX的基本流水線（2）指令解碼/讀寄存器週期（ID）

A←Regs[IR6

..10]

B←Regs[IR11

..15]

Imm←(IR16)16##IR16

..31

操作

指令解碼和讀寄存器是並行進行的。之所

以能做到這一點，是因為在DLX指令格式中，

操作碼在固定位置。這種技術也稱為固定字段

译码。3.2DLX的基本流水線

（3）執行/有效地址計算週期（EX）

在這個週期，不同的指令有不同的操作。3.2DLX的基本流水線◆

記憶體訪問

ALUOutput←A＋Imm

操作

◆

寄存器―寄存器ALU操作

ALUOutput←AopB操作◆

寄存器―立即值ALU操作

ALUOutput←AopImm操作3.2DLX的基本流水線◆

分支操作

ALUOutput←NPC＋Imm

Cond←(Aop0)操作（4）記憶體訪問/分支完成週期（MEM）

在該週期處理的DLX指令只有Load、Store和

分支指令。

這裏，將有效地址計算週期和執行週期合併為一個時鐘週期，這是由DLX指令集結構本身的特點所允許的，因為在DLX指令集結構中，沒有任何指令需要同時計算數據的記憶體地址、計算分支指令的目標地址和進行數據處理。3.2DLX的基本流水線◆

記憶體訪問

LMD←Mem[ALUOutput]

或

Mem[ALUOutput]←B

操作

3.2DLX的基本流水線◆

分支操作

if（cond）PC←ALUOutput

else

PC←NPC

操作（5）寫回週期（WB）

不同指令在該週期完成的工作也不一樣。◆

寄存器―寄存器型ALU指令

Regs[IR16

..20]←ALUOutput

操作

◆

寄存器―立即值型ALU指令

Regs[IR11

..15]←ALUOutput

操作◆

Load

指令

Regs[IR11

..15]←LMD操作

3.2DLX的基本流水線寄存器―寄存器型ALU指令

Regs[IR16

..20]←ALUOutput寄存器―立即值型ALU指令

Regs[IR11

..15]←ALUOutputLoad

指令

Regs[IR11

..15]←LMD

3.分支指令需要4個時鐘週期,

其它指令需要5個時鐘週期

假設分支指令占總指令數的12％,則:

CPI＝4.88

上述實現無論在性能上，還是在硬體開銷上，都不是優化的。3.2DLX的基本流水線3.2.2

基本的DLX流水線

我們可以把3.2.1中的數據通路流水化：

每個時鐘週期啟動一條新的指令。

这样，该数据通路中的每一个周期就成

了一个流水段。1.一種簡單的DLX流水線2.簡單DLX流水線的流水過程第一種描述（類似於時空圖）

第二種描述（按時間錯開的數據通路序列）3.2DLX的基本流水線3.2DLX的基本流水線按時間錯開的數據通路序列3.採用流水技術還應解決好以下幾個問題：上述簡單DLX流水線中：◆

指令記憶體（IM）和數據記憶體（DM）分

開，避免了訪存衝突。

◆

ID段和WB段都要訪問同一寄存器檔。

ID段：讀WB段：寫

如何解決對同一寄存器的訪問衝突？（1）應保證不會在同一個時鐘週期內在同一數據

通路資源上做不同的操作。

例如，不能要求一个ALU同時既做有效

地址計算，又做減法操作。3.2DLX的基本流水線◆

沒有考慮PC問題

流水線為了能夠每個時鐘週期啟動一條

新的指令，就必須在每個時鐘週期進行PC值

的加4操作，並保留新的PC值。這種操作必

須在IF段完成，以便為取下一條指令做好准

備。3.2DLX的基本流水線

但分支指令也可能改變PC的值，而且是

在MEM段進行，這會導致衝突。為解決問題，我們重新組織數據通路，把所有改變

PC值的操作都放在IF段進行。但分支指令如何處理？（2）每一流水段內的操作都必須在一個時鐘週期

內完成◆流水線各段之間需設置流水線寄存器

（也称为鎖存器）

◆

流水線寄存器組及其所含寄存器的命名

例如，ID段和EX段之間的流水線寄存

器組中的IR寄存器的名稱為:ID/EX.IR

◆流水線寄存器的作用

把數據和控制資訊從一個流水段傳

送到下一個流水段。（3）流水線寄存器（組）3.2DLX的基本流水線◆流水線寄存器的構成4.DLX流水線的操作

對於流水線中的指令來說，在任一時刻，它

僅在流水線中的某一段內執行操作。因此，只要知道每一流水段在各种指令下进

行何种操作，就知道了整个流水线的操作。

(表3.1)給出了DLX流水線各段的操作。

3.2DLX的基本流水線流水段表3.1DLX流水線的每個流水段的操作任何指令類型ALU指令Load/Store指令分支指令IFIDEXIF/ID.IR←Mem[PC]IF/ID.NPC,PC←(ifEX/MEM.cond{EX/MEM.NPC}else{PC+4});ID/EX.A←Regs[IF/ID.IR6..10];ID/EX.B←Regs[IF/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.AopID/EX.B

或

EX/MEM.ALUOutput←

ID/EX.AopID/EX.Imm;

EX/MEM.cond←0;EX/MEM.IR←

ID/EX.IR;EX/MEM.ALUOutput←

ID/EX.A+ID/EX.Imm;EX/MEM.ALUOutput←

ID/EX.NPC+

ID/EX.Imm;

EX/MEM.cond←

(ID/EX.Aop0);(動畫演示)(動畫演示)(動畫演示)(動畫演示)(動畫演示)流水段任何指令類型ALU指令Load/Store指令分支指令MEMWBMEM/WB.IR←EX/MEM.IR;MEM/WB.ALUOutput←

EX/MEM.ALUOutput;MEM/WB.IR←EX/MEM.IR;MEM/WB.LMD←

Mem[EX/MEM.ALUOutput];

或

Mem[EX/MEM.ALUOutput]←

EX/MEM.B;Regs[MEM/WB.IR16..20]←

MEM/WB.ALUOutput;

或

Regs[MEM/WB.IR11..15]←

MEM/WB.ALUOutput;Regs[MEM/WB.IR11..15]←

MEM/WB.LMD;表3.1DLX流水線的每個流水段的操作(動畫演示)(動畫演示)(動畫演示)(動畫演示)5．DLX流水線的控制

主要是確定如何控制那四個多路選擇器。3.2.3流水線性能分析

吞吐率是指單位時間內流水線所完成的任務數或輸出結果的數量。1.吞吐率(1)最大吞吐率TPmax

最大吞吐率是指流水線在連續流動達到穩定狀態後所得到的吞吐率。

◆

若流水線各段的時間相等，均為△t0

，

則：

TPmax＝1/△t03.2DLX的基本流水線◆

若流水線各段的時間不等，則：◆

最大吞吐率取決於流水線中最慢的一段所

需的時間，這段就成了流水線的瓶頸。◆

消除瓶頸的方法(舉例)

細分瓶頸段重複設置瓶頸段(時-空圖)1max{△ti}TPmax＝─────3.2DLX的基本流水線重複設置瓶頸段(時-空圖舉例)◆

第一種情況：各段時間相等（設為△t0）

假設流水線由m段組成，完成n個任務。

時空圖完成n個任務所需的時間

T流水＝m△t0＋(n－1)△t0

(說明)(2)實際吞吐率TP

流水線的實際吞吐率小於最大吞吐率。3.2DLX的基本流水線完成n個任務所需的時間

實際吞吐率TP＝───＝──────────T流水nm△t0＋(n－１)△t0n(1＋)△t0

m－11TPmaxn＝────────＝─────1＋nm－1TP＜TPmax

當n>>m時，TP≈TPmax◆

第二種情況：各段時間不等

時空圖3.2DLX的基本流水線3.2DLX的基本流水線

完成n個任務所需的時間

T流水＝∑△ti＋(n－1)△tj△tj＝max{△ti}

實際吞吐率TP＝──────────∑△ti＋(n－1)△tjmi=1ni=1m3.2DLX的基本流水線

加速比是指流水線的速度與等功能非流水

線的速度之比。2.加速比S

S＝T非流水／T流水

（其中T流水和T非流水分別為按流水和按非流水

方式處理n個任務所需的時間）

若流水線為m段，且各段時間相等，均為△t0，則：

T非流水＝nm△t0

(解釋)

T流水＝m△t0＋(n－1)△t0

3.2DLX的基本流水線3.2DLX的基本流水線可以看出：當n>>m時，S≈

m

想一想：n越大越好？效率是指流水線的設備利用率。

(1)由於流水線有通過時間和排空時間，所以

流水線的各段並不是一直滿負荷地工作。

故：E

＜1S＝───＝

─────────T非流水T流水nm△t0m△t0＋(n－1)△t0mnm＋n－1mn1＋

m－1＝

────

＝────3．效率E3.2DLX的基本流水線3.2DLX的基本流水線(2)若各段時間相等，則各段的效率ei相等，即

e1＝e2＝e3＝＝em＝n△t0／T流水

(解釋)

整個流水線的效率為:當n>>m

時，E

≈1E

＝

───＝

────＝

─────n△t0T流水nm＋n－11n1＋

m－1(3)從時－空圖上看，效率實際上就是n個任務所

占的時空區與m個段總的時空區之比，即：

n個任務佔用的時空區

E＝━━━━━━━━━━━━━

(解釋)

m個段總的時空區……3.2DLX的基本流水線(4)提高流水線效率所採取的措施對於提高

吞吐率也有好處。4．流水線性能分析舉例例3.1

在靜態流水線上計算

∑

AiBi

，

求：吞吐率，加速比，效率。4i=13.2DLX的基本流水線3.2DLX的基本流水線解：(1)確定適合於流水處理的計算過程(2)畫時空圖(3)計算性能

吞吐率

TP＝7／(20△t)

加速比

S＝(34△t)／(20△t)＝1.7

效率

E＝(4×4＋3×6)／(8×20)＝0.213.2DLX的基本流水線3.2DLX的基本流水線可以看出，在求解此問題時，該流水線的效率

不高。(原因)動態流水線的時－空圖舉例Ⅰ

3.2DLX的基本流水線舉例Ⅱ:這樣行不行？

正確答案3.2DLX的基本流水線例3.2

假設前面DLX非流水線實現的時鐘週期時間

為10ns，ALU和分支指令需要4個時鐘週期，訪

問記憶體指令需5個時鐘週期，上述指令在程式

中出現的相對頻率分別是：40%、20%和40%。在

基本的DLX流水線中，假設由於時鐘扭曲和寄存

器建立延遲等原因，流水線要在其時鐘週期時

间上附加1ns的額外開銷。現忽略任何其他延遲

因素的影響，請問：相對於非流水實現而言，

基本的DLX流水線執行指令的加速比是多少？3.2DLX的基本流水線解：當非流水執行指令時，指令的平均執行時

間為

TPI非流水

=10ns×((40%+20%)×4＋40%×5)

=10ns×4.4=44ns

在流水實現中，指令執行的平均時間

是最慢一段的執行時間加上額外開銷，即

TPI流水=10ns+1ns=11ns

所以基本的DLX流水線執行指令的加速比為S

=TPI非流水TPI流水44ns11ns==43.2DLX的基本流水線例3.3

假設在DLX的非流水實現和基本流水線中，5個功能單元的時間為：10，8，10，10，7（ns），

流水額外開銷為：1ns，求加速比S。解