使指令流水出现停顿，影响流水线效率
1
指令 1 FI 指令 2 指令 3 指令 4 指令 5 指令 6 指令 7 指令 8 指令 9 t
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12 13
14
DI CO FO EI WO FI DI CO FO EI WO FI DI CO FO EI FI DI CO FO FI DI CO FI DI FI

2.采用分支预测: 静态 、动态预测.
4.5.3 MIPS指令流水的实现
指令执行步骤
– – – – – – – – – – 取指令（IF） 指令译码（ID/RF） 指令执行（EXE） 读存储器（MEM） 写回（WB） IF：IM、PC ID/RF：寄存器组、控制信号生成部件 EXE：ALU MEM：DM WB：寄存器组
WO EI FO CO DI FI
WO EI FO CO DI FI
WO EI FO CO DI
WO EI WO FO EI WO CO FO EI WO
停顿（插入汽泡） 解决办法 : 4• 冲突 指令 1 与指令 指令1、指令3、指令 6 冲突 • 冲突 指令存储器和数据存储器分开 … 指令 2 与指令 5
25:21
0
0
PCSrc
31:26 5:0
CLK A1 A2 A3
1 WE3 RD1 1 RD2 0 1 0 0 WriteReg4:0 1 SrcA
CLK 010 Zero ALUResult A
0 WE 1 ReadData 0 1
ALU
Instruction Memory
20:16
SrcB
Register WD3 File
DR
1 0
Immediate
Clock
扩展
左移2位
单周期CPU容易实现指令流水吗？
MemtoReg Control MemWrite Unit Branch ALUControl 2:0 Op Funct ALUSrc RegDst RegWrite CLK 0 1 PC' PC A RD Instr
4.5 MIPS指令五级流水CPU设计
4.5.1 多周期CPU回顾 4.5.2 指令流水基本概念 4.5.3 MIPS指令流水的实现
4.5.1 多周期CPU回顾
多周期CPU特点 – 指令的执行划分为多个步骤 – 每个步骤占用一个CPU周期 – 不同指令的指令周期不同 – 指令串行执行
– 提高了整体性能
20:16 15:11
WriteData
RD Data Memory WD
+
PCPlus4
15:0
SignImm 4 Sign Extend
<<2
+
PCBranch
Result
一、流水线的实现
每条指令的实现至多需要5个时钟周期，时钟周期如下 – 取指令周期（IF）
– 指令译码／读寄存器周期（ID）
指令预取
取指令 3 执行指令 3
若 取指 和 执行 阶段时间上 完全重叠 指令周期 减半 速度提高 1 倍
时间?
二、 流水线操作时空图
空间 执行操作 取数操作 分析指令 １ I 2 ２ ３ 3 ４ 4 ５ 5 ６ 6 ７ 7
１
１
２
２
３
３
４
４
５
５
６
６
７Байду номын сангаас
７
取指令 １ ２ ３ ４ ５ ６ ７ T0 T1 T2 T3 T4 T5 T6 装入阶段 稳定流水阶段
流水线的每个阶段完成一条指令执行过程的一部分 不同阶段并行完成不同指令执行过程的不同部分。
多条指令同时运行，占用CPU不同的资源。 流水线并没有缩短单条指令的时间，但提高了整个 系统的吞吐率。 连续不断地提供指令才能发挥流水线的效率。
四、影响指令流水线性能的因素
程序中相近的指令之间出现某种关联 1. 结构相关 不同指令争用同一功能部件产生资源冲突
– 执行／有效地址计算周期（EX）
– 存储器访问／分支完成周期（MEM）
– 写回周期（WB）
不同类型的指令在以上5个时钟周期中进行的操作各 不相同。
T7 T8
T9
时间
排空阶段
指令的流水线结构类似于工厂中的装配流水线，使连续操作的多条指令， 依次流入四个功能部件，使四个功能部件不停地依次处理不同指令的执行要 求，这样在每隔一个部件工作时间t，就可送入一条新的指令，每经过时间t
就可得到一条指令执行的结果，指令执行速度可提高四倍。
三、指令流水线的特点
各部件利用率依然偏低
– CPI > 1
– 可以如何改进呢？
4.5.2 指令流水基本概念
一、指令的几种执行方式 1. 指令的串行执行
取指令 1 执行指令 1 取指令 2 执行指令 2 …
取指令
取指令部件
完成
总有一个部件 空闲
执行指令
执行指令部件 完成
2. 指令的二级流水
取指令 1 执行指令 1 取指令 2 执行指令 2
• 写后写相关（WAW）
MUL R3，R2，R1 SUB R3，R4，R5
解决办法 • 采用 旁路技术 •采用乱序执行法解决
3. 控制相关

控制相关的冲突问题是由转移指令引起的。 无条件转移指令 条件转移指令 子程序调用指令 中断指令 解决流水线中主要问题的几种方法: 1.采用等待法解决指令相关的问题;
2. 数据相关
不同指令因重叠操作，可能改变操作数的 读/写 访问顺序 • 写后读相关（RAW） SUB R1，R2，R3 ；（R2） （R3） ；（R5）+（R1） ；（R2） R1 R4 ADD R4，R5，R1 • 读后写相关（WAR） STA M，R2 ADD R2，R4，R5 M 存储单元 R2 R3 R3 ；（R4）+（R5） ；（R2）× （R1） ；（R4） （R5）
确定分支指令 是否转移的 条件信号Z
2 1
op func target
左移2位 PC[31..28]
0
0
指 令 内 容 IR
rs rt
rd
0 1
N1 寄 Q1 存 N2 器 堆 ND DI Q2
A 寄 存 器
1
A A L U
Z
PC
0 1
存 A 储 D 器
B 寄 存 器
4
1 0 2 3
B
R
结 果 寄 存 器
各步骤占用的资源
多周期CPU适合指令流水实现吗？ – 已分解为多个步骤，但步骤间的资源冲突比较频繁
写入PC的指令地址
WritePC IODR WriteMEM WriteIR
节拍 信号产生
ALUsrcB
PCsrc
控制部件
MEMtoREG SE REGds WriteREG ALUsrcA
ALUop