3 4流水线中的相关

《3 4流水线中的相关》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、34流水线中的相关流水线中的相关是指相邻或相近的指令因存在某种关联，后面的指令不能在原指定的时钟周期开始执行。一般来说，流水线中的相关主要分为如下三种类型：1.结构相关：当硬件资源满足不了指令重叠执行的要求，而发生资源冲突时，就发生了结构相关。2.数据相关：当一条指令需要用到前面指令的执行结果，而这些指令均在流水线中重叠执行时，就可能引起数据相关。3.控制相关：当流水线遇到分支指令和其它能够改变PC值的指令时，就会发生控制相关。一旦流水线中出现相关，必然会给指令在流水线中的顺利执行带来许多问题，如果不能很好地解

2、决相关问题，轻则影响流水线的性能，重则导致错误的执行结果。消除相关的基本方法是让流水线暂停执行某些指令，而继续执行其它一些指令。在后面的讨论中,我们约定：当一条指令被暂停时，在该暂停指令之后发射的所有指令都要被暂停，而在该暂停之前发射的指令则可继续进行，在暂停期间，流水线不会取新的指令。如果某些指令组合在流水线中重叠执行时，产生资源冲突，则称该流水线有结构相关。为了能够在流水线中顺利执行指令的所有可能组合，而不发生结构相关，通常需要采用流水化功能单元的方法或资源重复的方法。许多流水线机器都是将数据和指令保存在同

3、一存储器中。如果在某个时钟周期内，流水线既要完成某条指令对数据的存储器访问操作，又要完成取指令的操作，那么将会发生存储器访问冲突问题(如图3.3.1所示)，产生结构相关。为了解决这个问题，可以让流水线完成前一条指令对数据的存储器访问时，暂停取后一条指令的操作(如图3.3.2所示)。该周期称为流水线的一个暂停周期。暂停周期一般也称为流水线气泡，或简称为气泡。从图3.3.2可以看出，在流水线中插入暂停周期可以消除这种结构相关。图3.3.1由于存储器访问冲突而带来的流水线结构相关图3.3.2为消除结构相关而插入的流水

4、线气泡也可以用如图3.3.3所示的时空图来表示上述暂停情况。图3.3.3由上可知，为消除结构相关而引入的暂停将影响流水线的性能。为了避免结构相关，可以考虑采用资源重复的方法。比如，在流水线机器中设置相互独立的指令存储器和数据存储器；也可以将Cache分割成指令Cache和数据Cache。假设不考虑流水线其它因素对流水线性能的影响，显然如果流水线机器没有结构相关，那么其CPI也较小。然而，为什么有时流水线设计者却允许结构相关的存在呢?主要有两个原因：一是为了减少硬件代价，二是为了减少功能单元的延迟。如果为了避免结

5、构相关而将流水线中的所有功能单元完全流水化，或者设置足够的硬件资源，那么所带来的硬件代价必定很大。1.数据相关简介当指令在流水线中重叠执行时，流水线有可能改变指令读/写操作数的顺序，使得读/写操作顺序不同于它们非流水实现的顺序，这将导致数据相关。首先让我们考虑下列指令在流水线中的执行情况：ADDR1，R2，R3SUBR4，R5，R1ANDR6，R1，R7ORR8，R1，R9XORR10，R1，R11ADD指令后的所有指令都要用到ADD指令的计算结果，如图3.3.4所示，ADD指令在WB段才将计算结果写入寄存器R

6、1中，但是SUB指令在其ID段就要从寄存器R1中读取该计算结果，这种情况就叫做数据相关。除非有措施防止这一情况出现，否则SUB指令读到的是错误的值。所以，为了保证上述指令序列的正确执行，流水线只好暂停ADD指令之后的所有指令，直到ADD指令将计算结果写入寄存器R1之后，再启动ADD指令之后的指令继续执行。图3.3.4流水线的数据相关从图3.3.4还可以看到，AND指令同样也将受到这种相关关系的影响。ADD指令只有到第五个时钟周期末尾才能结束对寄存器R1的写操作，所以AND指令在第四个时钟周期从寄存器R1中读出的

7、值也是错误的。而XOR指令则可以正常操作，因为它是在第六个时钟周期读寄存器R1的内容。另外，利用DLX流水线的一种简单技术，可以使流水线顺利执行OR指令。这种技术就是：在DLX流水线中，约定在时钟周期的后半部分进行寄存器文件的读操作，而在时钟周期的前半部分进行寄存器文件的写操作。在本章的图中，我们将寄存器文件的边框适当地画成虚线来表示这种技术。2.通过定向技术减少数据相关带来的暂停图3.3.4中的数据相关问题可以采用一种称为定向(也称为旁路或短路)的简单技术来解决(动画演示)。定向技术的主要思想是：在某条指令(

8、如图3.3.4中的ADD指令)产生一个计算结果之前，其它指令(如图3.3.4中的SUB和AND指令)并不真正需要该计算结果，如果能够将该计算结果从其产生的地方(寄存器文件EX/MEM)直接送到其它指令需要它的地方(ALU的输入寄存器)，那么就可以避免暂停。基于这种考虑，定向技术的要点可以归纳为：(1)寄存器文件EX/MEM中的ALU的运算结果总是回送到ALU的输入寄存器。(2)当定向硬