IFetch Dcd Exec Mem WB
IFetch Dcd Exec Mem WB
程序流
IFetch Dcd Exec Mem WB IFetch Dcd Exec Mem WB
为什么采用流水线呢? 因为有资源空闲!
时间 (时钟周期)
ALU ALU ALU ALU ALU
指
令 Inst
顺
序 Inst
• 从指令存储器中获取指令
°Reg /Dec: 获取寄存器，指令译码 °Exec: 计算内存地址 °Mem : 从数据存储器中读数据 °Wr : 向寄存器文件写回数据
Pipelining
通过增加指令的执行阶段增强性能
程序 执行
° 顺序
T im e
2
4
6
8
10
12
14
16
18
lw $ 1, 10 0($0)
In s tru ctio n R eg
fe tch
ALU
lw $ 2, 20 0($0)
8 ns

lw $ 3, 30 0($0)
D a ta access
R eg
In s tru c tio n R eg
fe tch
ALU
8 ns
D ata ac c e ss
R eg
In s tru ctio n fe tch
32
Sign
e xtend
Sh if t left 2
Add Add res ult
• 10ns /cycle x (1 CPI x 100inst + 4 cycle drain) = 1040ns
Load指令的五个阶段
Cycle 1 Cycle 2 Cycle 3 Cycle 4 Cycle 5
Load Ifetch Reg /Dec Exec Mem Wr
°Ifetch : 获取指令
°还要花费 30 分钟的时间
将衣物放在衣柜里
ABCD
顺序操作
6 下午 7
8
9
10
11
12
1 2 上午
30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30
任
时间
务A
顺 序B
C
D
°
洗4 个人的衣物，顺序操作需要 8 个小时
°
如果使用流水线作业, 将需要多少时间呢?
...
8 ns
P rogram exec ution ord er
T im e
2
4
6
8
10
12
14
(in in struc tio ns) lw $1, 1 00 ($ 0)
In s tru c tion fe tch
Reg
ALU
D a ta access
R eg
lw $2, 2 00 ($ 0)
2 ns
°多个任务同时操作需要不同 的资源
°可能的加速比 = 流水线的段数
°流水线的速率受速度最慢 的流水段的限制
°流水线各段长度不均会降低 加速比
°充满流水线所需的时间和 排空流水线所需的时间影响 加速比
°会由于依赖而造成阻塞
传统的流水线执行表示
时间轴
IFetch Dcd Exec Mem WB
IFetch Dcd Exec Mem WB
Add 4
PC
A dd re ss
In stru ctio n
In struction m em ory
R ead
re gis ter 1
Re ad
R ead
data 1
re gis ter 2
R eg iste rs Re ad
W rite
data 2
re gis ter
W rite d ata
16
为什么使用流水线?
°设想我们要执行 100 条指令 °单周期的机器
• 45ns /cycle x 1 CPI x 100inst = 4500ns
°多周期的机器
• 10ns/cycle x 4.2 CPI (due to inst mix) x 100inst = 4200 ns
°理想的流水线机器
0 Im 1
Reg
Dm Reg
Im Reg
Dm Reg
Inst 2 Inst 3
Inst 4
Im Reg
Dm Reg
Im Reg
Dm Reg
Im Reg
Dm Reg
单时钟周期, 多时钟周期,同流水线比较.
Cycle 1 Clk
单时钟周期的实现:
Load
Cycle 2
Store
Waste
Cycle 1 Cycle 2 Cycle 3 Cycle 4 Cycle 5 Cycle 6 Cycle 7 Cycle 8 Cycle 9 Cycle 10 Clk
多时钟周期的实现: Load Ifetch Reg Exec
Mem
Store Wr Ifetch Reg
Exec
Mem
R-type Ifetch
流水线的实现: Load Ifetch Reg Exec Mem Wr
Store Ifetch Reg Exec Mem Wr R-type Ifetch Reg Exec Mem Wr
基本思想
IF : In s tru c tio n fe tc h
0 M u x 1
ID : In s tru c tio n d e co d e / r e g is te r file re a d
E X : E xe cute/ a d d re ss c a lc u la tio n
M E M : M e m ory a cc e ss W B : W rite ba ck
计算机体系结构之流水线工作原理与分类
路漫漫其悠远
少壮不努力，老大徒悲伤
流水线技术
流水线技术 相关性分析技术 超标量处理机 超流水线处理机 超标量超流水线处理机
流水线是很自然的!
°洗衣店的例子 °A, B, C, D
均有一些衣务要清洗，甩干，折叠
°清洗要花 30 分钟
°甩干要用 30 分钟
°叠衣物也需要 30 分钟
流水线作业
6 下午 7
8
9
10
11
12
任
30 30 30 30 30 30 30
务A 顺 序B
C
D
时间
1 2 上午
°流水线作业洗4个人的衣物只需要 3.5 个小时!
流水线
6 下午 7
8
9
任
时间
务
30 30 30 30 30 30 30
顺A 序
B
C
D
°流水线无法帮助解决单个任务 的延迟, 有利于减少整个工作 全部时间
In s tru c tio n fe tc h
Reg
ALU
D a ta access
Reg
lw $3, 3 00 ($ 0)
2 ns
In s tru c tio n fe tc h
Reg
ALU
D a ta a cc es s
R eg
2 ns
2 ns
2 ns
2 ns
2 ns
理想的加速比是流水线的段数. 我们能够获得这个加速比吗?