1、會(huì)計(jì)學(xué)1DLX的基本的基本(jbn)流水線實(shí)用流水線實(shí)用第一頁(yè)，共66頁(yè)。第1頁(yè)/共66頁(yè)第二頁(yè)，共66頁(yè)。2. 一條(y tio)DLX指令最多需要以下5個(gè)時(shí)鐘周期：（1） 取指令周期(zhuq)（IF） IR MemPC NPC PC4 操作3.2 DLX的基本(jbn)流水線第2頁(yè)/共66頁(yè)第三頁(yè)，共66頁(yè)。第3頁(yè)/共66頁(yè)第四頁(yè)，共66頁(yè)。（2）指令(zhlng)譯碼/讀寄存器周期（ID） A RegsIR6 .10 B RegsIR11 .15 Imm (IR16)16 # IR16 .31 操作 指令(zhlng)譯碼和讀寄存器是并行進(jìn)行的。之所 以能做到這一點(diǎn)，是因?yàn)樵贒LX指令

2、(zhlng)格式中， 操作碼在固定位置。這種技術(shù)也稱為固定字段 譯碼。3.2 DLX的基本(jbn)流水線第4頁(yè)/共66頁(yè)第五頁(yè)，共66頁(yè)。第5頁(yè)/共66頁(yè)第六頁(yè)，共66頁(yè)。（3）執(zhí)行/有效地址計(jì)算周期（EX） 在這個(gè)周期，不同的指令(zhlng)有不同的操作。3.2 DLX的基本(jbn)流水線第6頁(yè)/共66頁(yè)第七頁(yè)，共66頁(yè)。 存儲(chǔ)器訪問(wèn)(fngwn) ALUOutput AImm 操作第7頁(yè)/共66頁(yè)第八頁(yè)，共66頁(yè)。 寄存器寄存器 ALU 操作(cozu) ALUOutput A op B 操作(cozu)第8頁(yè)/共66頁(yè)第九頁(yè)，共66頁(yè)。 寄存器立即(lj)值 ALU 操作 ALU

3、Output A op Imm 操作3.2 DLX的基本(jbn)流水線第9頁(yè)/共66頁(yè)第十頁(yè)，共66頁(yè)。 分支(fnzh)操作ALUOutput NPCImm Cond (A op 0) 操作第10頁(yè)/共66頁(yè)第十一頁(yè)，共66頁(yè)。（4）存儲(chǔ)器訪問(wèn)(fngwn)/分支完成周期（MEM） 在該周期處理的DLX指令只有Load、Store和 分支指令。這里，將有效地址計(jì)算周期(zhuq)和執(zhí)行周期(zhuq)合并為一個(gè)時(shí)鐘周期(zhuq)，這是由 DLX指令集結(jié)構(gòu)本身的特點(diǎn)所允許的，因?yàn)樵贒LX指令集結(jié)構(gòu)中，沒(méi)有任何指令需要同時(shí)計(jì)算數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器地址、計(jì)算分支指令的目標(biāo)地址和進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。3.2 D

4、LX的基本(jbn)流水線第11頁(yè)/共66頁(yè)第十二頁(yè)，共66頁(yè)。 存儲(chǔ)器訪問(wèn)(fngwn) LMD MemALUOutput 或 Mem ALUOutput B操作3.2 DLX的基本(jbn)流水線第12頁(yè)/共66頁(yè)第十三頁(yè)，共66頁(yè)。第13頁(yè)/共66頁(yè)第十四頁(yè)，共66頁(yè)。 分支(fnzh)操作 if（cond）PC ALUOutput else PC NPC操作第14頁(yè)/共66頁(yè)第十五頁(yè)，共66頁(yè)。第15頁(yè)/共66頁(yè)第十六頁(yè)，共66頁(yè)。（5）寫(xiě)回周期(zhuq)（WB） 不同指令在該周期(zhuq)完成的工作也不一樣。 寄存器寄存器型 ALU 指令 RegsIR16 .20 ALUOutp

5、ut操作(cozu) 寄存器立即值型 ALU 指令 RegsIR11 .15 ALUOutput操作(cozu) Load 指令(zhlng) RegsIR11 .15 LMD 操作3.2 DLX的基本流水線第16頁(yè)/共66頁(yè)第十七頁(yè)，共66頁(yè)。寄存器寄存器型 ALU 指令(zhlng) RegsIR16 .20 ALUOutput第17頁(yè)/共66頁(yè)第十八頁(yè)，共66頁(yè)。寄存器立即(lj)值型 ALU 指令 RegsIR11 .15 ALUOutput第18頁(yè)/共66頁(yè)第十九頁(yè)，共66頁(yè)。Load 指令(zhlng) RegsIR11 .15 LMD第19頁(yè)/共66頁(yè)第二十頁(yè)，共66頁(yè)。3. 分

6、支指令需要4個(gè)時(shí)鐘周期, 其它(qt)指令需要5個(gè)時(shí)鐘周期 假設(shè)分支指令占總指令數(shù)的12, 則: CPI4.88 上述實(shí)現(xiàn)無(wú)論在性能上，還是在硬件開(kāi)銷(xiāo)上，都不是優(yōu)化的。3.2 DLX的基本(jbn)流水線第20頁(yè)/共66頁(yè)第二十一頁(yè)，共66頁(yè)。3.2.2 基本(jbn)的DLX流水線我們可以(ky)把3.2.1中的數(shù)據(jù)通路流水化：每個(gè)時(shí)鐘周期啟動(dòng)一條新的指令。這樣，該數(shù)據(jù)通路中的每一個(gè)周期就成了一個(gè)流水段。1. 一種(y zhn)簡(jiǎn)單的 DLX 流水線2. 簡(jiǎn)單DLX流水線的流水過(guò)程第一種描述（類似于時(shí)空?qǐng)D）第二種描述（按時(shí)間錯(cuò)開(kāi)的數(shù)據(jù)通路序列）3.2 DLX的基本流水線第21頁(yè)/共66頁(yè)第二

7、十二頁(yè)，共66頁(yè)。3.2 DLX的基本(jbn)流水線第22頁(yè)/共66頁(yè)第二十三頁(yè)，共66頁(yè)。按時(shí)間錯(cuò)開(kāi)(cu ki)的數(shù)據(jù)通路序列第23頁(yè)/共66頁(yè)第二十四頁(yè)，共66頁(yè)。3. 采用流水技術(shù)還應(yīng)解決好以下(yxi)幾個(gè)問(wèn)題：上述(shngsh)簡(jiǎn)單DLX流水線中： 指令存儲(chǔ)器（IM）和數(shù)據(jù)(shj)存儲(chǔ)器（DM）分 開(kāi)，避免了訪存沖突。 ID段和WB段都要訪問(wèn)同一寄存器文件。 ID段：讀WB段：寫(xiě) 如何解決對(duì)同一寄存器的訪問(wèn)沖突？（1）應(yīng)保證不會(huì)在同一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)在同一數(shù)據(jù) 通路資源上做不同的操作。 例如，不能要求一個(gè)ALU同時(shí)既做有效 地址計(jì)算，又做減法操作。3.2 DLX的基本流水線第24

8、頁(yè)/共66頁(yè)第二十五頁(yè)，共66頁(yè)。 沒(méi)有(mi yu)考慮 PC 問(wèn)題流水線為了能夠(nnggu)每個(gè)時(shí)鐘周期啟動(dòng)一條新的指令，就必須在每個(gè)時(shí)鐘周期進(jìn)行PC值的加4操作，并保留新的PC值。這種操作必須在IF段完成，以便為取下一條指令做好準(zhǔn)備。3.2 DLX的基本(jbn)流水線第25頁(yè)/共66頁(yè)第二十六頁(yè)，共66頁(yè)。第26頁(yè)/共66頁(yè)第二十七頁(yè)，共66頁(yè)。但分支指令也可能改變PC的值，而且是在MEM段進(jìn)行，這會(huì)導(dǎo)致(dozh)沖突。第27頁(yè)/共66頁(yè)第二十八頁(yè)，共66頁(yè)。為解決問(wèn)題，我們重新(chngxn)組織數(shù)據(jù)通路，把所有改變PC值的操作都放在IF段進(jìn)行。但分支(fnzh)指令如何處理？

9、第28頁(yè)/共66頁(yè)第二十九頁(yè)，共66頁(yè)。（2）每一流水段內(nèi)的操作都必須在一個(gè)時(shí)鐘(shzhng)周期 內(nèi)完成 流水線各段之間需設(shè)置流水線寄存器 （也稱為鎖存器） 流水線寄存器組及其所含寄存器的命名(mng mng) 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(shù)據(jù)和控制信息從一個(gè)流水段傳 送到下一個(gè)流水段。（3）流水線寄存器（組）3.2 DLX的基本(jbn)流水線第29頁(yè)/共66頁(yè)第三十頁(yè)，共66頁(yè)。第30頁(yè)/共66頁(yè)第三十一頁(yè)，共66頁(yè)。 流水線寄存器的構(gòu)成(guchng)第31頁(yè)/共66頁(yè)第三十二頁(yè)，共66頁(yè)。4. DLX流水

10、線的操作(cozu)對(duì)于流水線中的指令來(lái)說(shuō)，在任一時(shí)刻(shk)，它僅在流水線中的某一段內(nèi)執(zhí)行操作。因此，只要知道每一流水段在各種指令下進(jìn)行何種操作，就知道了整個(gè)流水線的操作。 (表3.1)給出了DLX流水線各段的操作。 3.2 DLX的基本(jbn)流水線第32頁(yè)/共66頁(yè)第三十三頁(yè)，共66頁(yè)。流水(lishu)段表3.1 DLX流水(lishu)線的每個(gè)流水(lishu)段的操作任何(rnh)指令類型ALU 指令Load/Store 指令分支指令I(lǐng)FIDEXIF/ID.IR MemPCIF/ID.NPC,PC (if EX/MEM.cond EX/MEM.NPC else PC+4);ID

11、/EX.A RegsIF/ID.IR6.10; ID/EX.B RegsIF/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.A op ID/EX.B 或EX/MEM.ALUOutput ID/EX.A op ID/EX.Imm;EX/MEM.cond 0;EX/MEM.IR ID/EX.IR; EX/MEM.ALUOutput ID/EX.A + ID/EX.Imm;EX/MEM.ALUOutput I

12、D/EX.NPC + ID/EX.Imm;EX/MEM.cond (ID/EX.A op 0);(動(dòng)畫(huà)演示)(動(dòng)畫(huà)演示)(動(dòng)畫(huà)演示)(動(dòng)畫(huà)演示)(動(dòng)畫(huà)演示)第33頁(yè)/共66頁(yè)第三十四頁(yè)，共66頁(yè)。流水(lishu)段任何(rnh)指令類型ALU 指令(zhlng)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 MemEX/MEM.ALUOutput;或MemEX/MEM.ALUOutput EX/MEM.B;RegsMEM/W

13、B.IR16.20 MEM/WB.ALUOutput;或RegsMEM/WB.IR11.15 MEM/WB.ALUOutput;RegsMEM/WB.IR11.15 MEM/WB.LMD;表3.1 DLX流水線的每個(gè)流水段的操作(動(dòng)畫(huà)演示)(動(dòng)畫(huà)演示)(動(dòng)畫(huà)演示)(動(dòng)畫(huà)演示)第34頁(yè)/共66頁(yè)第三十五頁(yè)，共66頁(yè)。5DLX流水線的控制(kngzh)主要是確定如何(rh)控制那四個(gè)多路選擇器。第35頁(yè)/共66頁(yè)第三十六頁(yè)，共66頁(yè)。3.2.3 流水線性能(xngnng)分析吞吐率是指單位時(shí)間(shjin)內(nèi)流水線所完成的任務(wù)數(shù)或輸出結(jié)果的數(shù)量。1. 吞吐(tnt)率(1) 最大吞吐率TPmax

14、最大吞吐率是指流水線在連續(xù)流動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后所得到的吞吐率。 若流水線各段的時(shí)間相等，均為t0 ， 則： TPmax 1 /t03.2 DLX的基本流水線第36頁(yè)/共66頁(yè)第三十七頁(yè)，共66頁(yè)。 若流水線各段的時(shí)間(shjin)不等，則： 最大吞吐(tnt)率取決于流水線中最慢的一段所 需的時(shí)間，這段就成了流水線的瓶頸。 消除瓶頸的方法(fngf) (舉例)l 細(xì)分瓶頸段 l 重復(fù)設(shè)置瓶頸段 (時(shí)-空?qǐng)D)1maxti TPmax3.2 DLX的基本流水線第37頁(yè)/共66頁(yè)第三十八頁(yè)，共66頁(yè)。第38頁(yè)/共66頁(yè)第三十九頁(yè)，共66頁(yè)。重復(fù)設(shè)置瓶頸(pn jn)段(時(shí)-空?qǐng)D舉例)第39頁(yè)/共66頁(yè)

15、第四十頁(yè)，共66頁(yè)。 第一種情況：各段時(shí)間相等（設(shè)為t0） 假設(shè)流水線由 m 段組成(z chn)，完成 n 個(gè)任務(wù)。l 時(shí)空?qǐng)Dl 完成 n 個(gè)任務(wù)所需的時(shí)間 T流水(lishu)mt0(n1)t0 (說(shuō)明)(2) 實(shí)際(shj)吞吐率TP 流水線的實(shí)際吞吐率小于最大吞吐率。3.2 DLX的基本流水線第40頁(yè)/共66頁(yè)第四十一頁(yè)，共66頁(yè)。4266第41頁(yè)/共66頁(yè)第四十二頁(yè)，共66頁(yè)。4366完成 n 個(gè)任務(wù)(rn wu)所需的時(shí)間第42頁(yè)/共66頁(yè)第四十三頁(yè)，共66頁(yè)。l 實(shí)際(shj)吞吐率TP T流水nmt0(n)t0n(1 )t0 m11TPmaxn 1nm1TP TPmax當(dāng)n m

16、 時(shí)，TP TPmax 第二種情況(qngkung)：各段時(shí)間不等l 時(shí)空?qǐng)D3.2 DLX的基本(jbn)流水線第43頁(yè)/共66頁(yè)第四十四頁(yè)，共66頁(yè)。3.2 DLX的基本(jbn)流水線第44頁(yè)/共66頁(yè)第四十五頁(yè)，共66頁(yè)。 完成 n 個(gè)任務(wù)所需的時(shí)間(shjin) T流水ti(n1)tj tjmaxti 實(shí)際吞吐率TP ti(n1)tjmi=1ni=1m3.2 DLX的基本(jbn)流水線第45頁(yè)/共66頁(yè)第四十六頁(yè)，共66頁(yè)。加速(ji s)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(ji s)比S ST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

17、 個(gè)任務(wù)(rn wu)所需的時(shí)間） 若流水線為 m 段，且各段時(shí)間相等，均為t0 ，則： T非流水n mt0 (解釋) T流水mt0(n1)t0 3.2 DLX的基本流水線第46頁(yè)/共66頁(yè)第四十七頁(yè)，共66頁(yè)。3.2 DLX的基本(jbn)流水線第47頁(yè)/共66頁(yè)第四十八頁(yè)，共66頁(yè)。可以(ky)看出：當(dāng)n m 時(shí)，S m想一想：n 越大越好？效率是指流水線的設(shè)備(shbi)利用率。(1) 由于流水線有通過(guò)時(shí)間和排空時(shí)間，所以 流水線的各段并不是一直滿負(fù)荷地工作。 故：E 1S T非流水T流水nmt0mt0(n1)t0mnmn1mn1 m1 3效率(xio l) E3.2 DLX的基本流水線

18、第48頁(yè)/共66頁(yè)第四十九頁(yè)，共66頁(yè)。3.2 DLX的基本(jbn)流水線第49頁(yè)/共66頁(yè)第五十頁(yè)，共66頁(yè)。(2) 若各段時(shí)間相等，則各段的效率(xio l)ei相等，即 e1e2 e3 emnt0T流水 (解釋) 整個(gè)流水線的效率(xio l)為:當(dāng) n m 時(shí)，E 1E nt0T流水(lishu)nmn11n1 m1(3) 從時(shí)空?qǐng)D上看，效率(xio l)實(shí)際上就是 n 個(gè)任務(wù)所占的時(shí)空區(qū)與 m 個(gè)段總的時(shí)空區(qū)之比，即： n 個(gè)任務(wù)占用的時(shí)空區(qū)E (解釋) m 個(gè)段總的時(shí)空區(qū)3.2 DLX的基本流水線第50頁(yè)/共66頁(yè)第五十一頁(yè)，共66頁(yè)。5266第51頁(yè)/共66頁(yè)第五十二頁(yè)，共66

19、頁(yè)。(4) 提高流水線效率(xio l)所采取的措施對(duì)于提高 吞吐率也有好處。4流水線性能分析(fnx)舉例例3.1 在靜態(tài)(jngti)流水線上計(jì)算 AiBi ， 求：吞吐率，加速比，效率。4i=13.2 DLX的基本流水線第52頁(yè)/共66頁(yè)第五十三頁(yè)，共66頁(yè)。3.2 DLX的基本(jbn)流水線第53頁(yè)/共66頁(yè)第五十四頁(yè)，共66頁(yè)。解：(1) 確定適合于流水處理(chl)的計(jì)算過(guò)程(2) 畫(huà)時(shí)空?qǐng)D (3) 計(jì)算性能(xngnng) 吞吐率 TP7(20t) 加速比 S(34t)(20t)1.7 效率 E(4436)(820)0.213.2 DLX的基本(jbn)流水線第54頁(yè)/共66頁(yè)

20、第五十五頁(yè)，共66頁(yè)。5666第55頁(yè)/共66頁(yè)第五十六頁(yè)，共66頁(yè)。5766第56頁(yè)/共66頁(yè)第五十七頁(yè)，共66頁(yè)。3.2 DLX的基本(jbn)流水線第57頁(yè)/共66頁(yè)第五十八頁(yè)，共66頁(yè)?？梢钥闯?kn ch)，在求解此問(wèn)題時(shí)，該流水線的效率不高。 (原因)動(dòng)態(tài)(dngti)流水線的時(shí)空?qǐng)D 舉例 3.2 DLX的基本(jbn)流水線第58頁(yè)/共66頁(yè)第五十九頁(yè)，共66頁(yè)。舉例(j l) : 這樣行不行？ 正確答案3.2 DLX的基本(jbn)流水線第59頁(yè)/共66頁(yè)第六十頁(yè)，共66頁(yè)。例3.2 假設(shè)前面DLX非流水線實(shí)現(xiàn)的時(shí)鐘周期時(shí)間 為10ns，ALU和分支指令需要4個(gè)時(shí)鐘周期，訪 問(wèn)

21、存儲(chǔ)器指令需5個(gè)時(shí)鐘周期，上述指令在程序 中出現(xiàn)的相對(duì)頻率分別(fnbi)是：40%、20%和40%。在 基本的DLX流水線中，假設(shè)由于時(shí)鐘扭曲和寄存 器建立延遲等原因，流水線要在其時(shí)鐘周期時(shí) 間上附加1ns的額外開(kāi)銷(xiāo)?，F(xiàn)忽略任何其他延遲 因素的影響，請(qǐng)問(wèn)：相對(duì)于非流水實(shí)現(xiàn)而言， 基本的DLX流水線執(zhí)行指令的加速比是多少？3.2 DLX的基本(jbn)流水線第60頁(yè)/共66頁(yè)第六十一頁(yè)，共66頁(yè)。解 ： 當(dāng) 非 流 水 執(zhí) 行 指 令 時(shí) ， 指 令 的 平 均(pngjn)執(zhí)行時(shí) 間為 TPI非流水 = 10ns(40%+20%)440%5) = 10ns4.4 = 44ns 在 流 水 實(shí) 現(xiàn) 中 ， 指 令 執(zhí) 行 的 平 均(pngjn)時(shí)間 是最慢一段的執(zhí)行時(shí)間加上額外開(kāi)銷(xiāo)，即 TPI流水 = 10ns+1ns = 11ns 所以基本的DLX流水線執(zhí)行指令的加速比為S =TPI非流水TPI流水44ns11ns= 43.2 DLX的基本(jbn)流水線第61頁(yè)/共66頁(yè)第六十二頁(yè)，共66頁(yè)。例3.3 假設(shè)在DLX的非流水實(shí)現(xiàn)和基本流水線中，5個(gè)功能單元的時(shí)間為：10，8，10，10，7（