《计算机系统结构》电子教案(课5).ppt

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1、3.4RISC的基本流水线(P70)下面是RISC的指令流水线简化结构图（5段结构），每段1个时钟周期。2014.2.171计算机系统结构(1)流水运行方式RISC流水线5段功能的初步定义（时钟周期图Cycle）IFIDEXMemWBIFIDEXMemWB指令K指令K+1取指PC+4译码取数计算判断访存送PC写回(2)顺序运行方式IFIDEXMemWBIFIDEXMemWB指令K指令K+1取指译码取数计算判断访存送PC写回2014.2.172计算机系统结构RISC流水线5段功能的初步定义2014.2.

2、173计算机系统结构为了简单，先考虑顺序处理方式下的工作过程（即不考虑并行处理多条指令）：(1)IF——取指周期（后来称IM）(2)ID——指令译码/读寄存器周期(3)EX——执行/地址计算周期做4种操作之一：存储器地址计算、寄存器/寄存器ALU运算、寄存器/立即数ALU运算、分支地址计算与条件判断。(4)MEM——存储器访问/分支完成周期（ALU指令不需要）（后来称DM）做2种操作之一：存储器访问、根据分支条件对PC赋值。(5)WB——写回寄存器周期（分支指令不需要）做2种操作之一：ALU结果写寄存

3、器、LOAD结果写寄存器。总周期数=n×CPI（ALU和分支指令的CPI=4，其它指令的CPI=5）3.4.1用顺序方式实现RISC详解2014.2.174计算机系统结构按流水方式运行需要解决的问题：存储周期———每个时钟周期都至少访问一次存储器，所以存储器件的访问周期必须缩短为顺序方式的1/5（流水线必须配用高速存储系统）。冲突———①前面指令在MEM修改PC与后面指令在IF做PC+4发生PC冲突；②前面指令在MEM访存与后面指令在IF取指发生存储器冲突；③前面指令在WB写寄存器与后面指令在ID读寄

4、存器发生寄存器冲突。（下页图）对策———①用多路器选择PC+4送PC，还是ALUout送PC；②IF改成访问指令存储器IM，MEM改成访问数据存储器DM，以避免存储器冲突；或者虽共用一个存储器，但是分别连到指令Cache、数据Cache；③寄存器冲突留待下文解决。寄存器文件——每条指令启动后就被分配一组暂存器，称为“寄存器文件”，用以保存自己的临时数据，如NPC、IR等，它们伴随指令逐段推进，直至指令结束。在没有操作的段，寄存器文件被直接拷贝到下一段。（P119）总周期数=n+m–1+stall总数（

5、无相关、无冲突情况下）3.5基本的MIPS流水线（P87）2014.2.175计算机系统结构(1)3种冲突流水方式运行带来的结构冲突IFIDEXMemWBIFIDEXMemWB指令K指令K+1译码取数访存送PC写回(2)存储器哈佛结构、分离Cache结构CPU指令K+3指令KIFIDEXMemWB指令K+2IFIDEXMemWB指令K+3取指PC+4指令存储器数据存储器CPU指令Cache数据Cache内存2014.2.176计算机系统结构3.5.1MIPS的一种简单实现2014.2.177计算机系统

6、结构3.4.2相关与冲突(P72)相关dependence：一条指令依赖另一条指令的结果。冲突hazard：由于相关或其它原因，一条指令暂时停下来等待另一条指令执行，不然就会产生错误的结果（与程序员预期的不一致）。相关的分类1.数据相关：前面指令的结果作为后面指令的操作数（真数据相关）2.名相关：两条指令使用了同一个寄存器或存储单元，并非要传送数据3.控制相关：分支指令等改变PC值的情况反相关名相关输出相关冲突的分类1.结构冲突：即资源争用写后读：RAW2.数据冲突：由数据相关、或者名相关造成写后写：

7、WAW3.控制冲突：由控制相关造成读后写：WAR实例：P73～P83；多种相关、冲突演示程序Lesson-5.s2014.2.178计算机系统结构3种相关与3种冲突的关系???数据相关名相关控制相关3种相关结构冲突数据冲突控制冲突3种冲突原因结果2014.2.179计算机系统结构冲突的通用处理方法——暂停冲突的通用处理方法：为了不出现错误结果，相关检测硬件会自动插入所需个数的暂停周期stall（又称为“流水线气泡”），图3.21和图3.22是等效的表示法，后者比较紧凑；MIPS流水线的暂停：在ID段之

8、后分支，在MEM段之前汇合。如果一条指令在非分支的IF、ID、MEM、WB段暂停，它后面的指令只能顺序流动；如果一条指令在任一分支内暂停，它后面的其它种类指令可以乱序流动（绕过它先流向出口）。MIPS暂停演示程序Lesson-5.s：dmulr1,r2,r3dmulr4,r5,r1sub.df1,f2,f32014.2.1710计算机系统结构1.结构冲突——特异处理方法（P75）“设备重复”方法，又称“完全流水化功能单元”方法：即为不同指令的同一操作分别