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1、現(xiàn)代計算機組成原理,潘 明 潘 松 編著,,科學(xué)出版社,第 7 章,流水線結(jié)構(gòu)RISC CPU設(shè)計,7.1 流水線的一般概念,7.1.1 DLX指令流水線結(jié)構(gòu),7.1 流水線的一般概念,7.1.1 DLX指令流水線結(jié)構(gòu),1非流水線結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)通路,圖7-1非流水線實現(xiàn)的指令解釋數(shù)據(jù)通路,7.1 流水線的一般概念,7.1.1 DLX指令流水線結(jié)構(gòu),1非流水線結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)通路,（1）取指令周期（IF）： IR MemPC NPC PC + 1,（2）譯碼/讀寄存器周期（ID） A RegIR 6..10 B RegIR11..15 Imm ( (IR16)16## IR16..31),7.1 流水線的一般

2、概念,7.1.1 DLX指令流水線結(jié)構(gòu),1非流水線結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)通路,（3）執(zhí)行/有效地址計算（ALU） Load/Store： ALUoutput A+Imm R-R ALU： ALUoutput A func B R-I ALU： ALUoutput A op Imm Branch： ALUoutput NPC + Imm; Cond A op 0,7.1 流水線的一般概念,7.1.1 DLX指令流水線結(jié)構(gòu),1非流水線結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)通路,（4）存儲器訪問/轉(zhuǎn)移完成（MEM） Load/Store： LMD MemALUoutput MemALUoutput B Branch：

3、 if (Cond) then PCALUoutput else PC NPC,7.1 流水線的一般概念,7.1.1 DLX指令流水線結(jié)構(gòu),1非流水線結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)通路,（5）寫回周期（WB） R-R ALU： RegsIR16..20 ALUoutput R-I ALU： RegsIR11..15 ALUoutput Load： RegsIR11..15 LMD,7.1 流水線的一般概念,7.1.1 DLX指令流水線結(jié)構(gòu),2DLX基本指令流水線,圖7-2 DLX基本指令流水線,7.1 流水線的一般概念,7.1.1 DLX指令流水線結(jié)構(gòu),2DLX基本指令流水線,表7-

4、1 五級流水線的每一級的具體操作,7.1 流水線的一般概念,7.1.2流水線CPU的時空圖,圖7-3 流水線時空圖,7.1 流水線的一般概念,7.1.2流水線CPU的時空圖,圖7-4 指令流水線的時空圖,7.1 流水線的一般概念,7.1.2流水線CPU的時空圖,(a) 一個指令流水線過程段 b）非流水線時空圖,圖7-5 流水線時空圖,7.1 流水線的一般概念,7.1.2流水線CPU的時空圖,(c) 標量流水時空圖 d）超標量流水線時空圖,圖7-5 流水線時空圖,7.1 流水線的一般概念,7.1.3 流水線分類,7.2 流水線中的主要問題及處理,7.2

5、.1 資源相關(guān),7.2 流水線中的主要問題及處理,7.2.2 數(shù)據(jù)相關(guān)及其分類,7.2 流水線中的主要問題及處理,7.2.3 數(shù)據(jù)競爭的處理技術(shù),【例7-1】數(shù)據(jù)相關(guān)實例 ADD R1，R2，R3 ； （R2）（R3）R1 SUB R4，R1，R5 ； （R1）（R5）R4 AND R6，R1，R7 ； （R1）（R7）R6,表7-2 例7-1中出現(xiàn)的數(shù)據(jù)相關(guān),7.2 流水線中的主要問題及處理,7.2.3 數(shù)據(jù)競爭的處理技術(shù),【例7-2】 （1） I1 ADD R1，R2，R3 ；（R2） 十 （R3） R1 I2 SUB R4，R1，R5 ；（R1） 一 （R5） R4 （2）

6、I3 STA M（x），R3 ；（R3） M（x），M（x）是存儲單元 I4 ADD R3，R4，R5 ；（R4） （R5） R3 （3） I5 MUL R3，R1，R2 ；（R1） （R2） R3 I6 ADD R3，R4，R5 ；（R4） （R5） R3,【例7-3】 ADD R1，R2，R3 SUB R4，R5，R1 AND R6，R1，R7 OR R8，R1，R9 XOR R10，R1，R11,7.2 流水線中的主要問題及處理,7.2.3 數(shù)據(jù)競爭的處理技術(shù),圖7-6 例7-3的流水狀態(tài)圖,7.2 流水線中的主要問題及處理,7.2.3 數(shù)據(jù)競爭的處理技術(shù),【例7-4】

7、 LW R1，0（R2） ；R1最早要等到第四拍MEM結(jié)束， ；才能得到數(shù)據(jù).(即才能從Data Memory讀入， 存入暫存器) SUB R4，R1，R5 ；SUB所用的R1最遲在第三拍EX開始時要準備好， 與LW相差一拍。 AND R6，R1，R7 ；同SUB，可用“提前”方法解決 OR R8，R1，R9 ；同SUB，可用“提前”方法解決,7.2 流水線中的主要問題及處理,7.2.3 數(shù)據(jù)競爭的處理技術(shù),圖7-7引入forwarding path后的狀態(tài)圖,7.2 流水線中的主要問題及處理,7.2.3 數(shù)據(jù)競爭的處理技術(shù),圖7-8引入forwa

8、rding path的硬件示意圖,7.2 流水線中的主要問題及處理,7.2.3 數(shù)據(jù)競爭的處理技術(shù),圖7-9 引入forwarding后消除了Stall,7.2 流水線中的主要問題及處理,7.2.3 數(shù)據(jù)競爭的處理技術(shù),圖7-10 例7-4的流水線狀態(tài)圖,7.2 流水線中的主要問題及處理,7.2.3 數(shù)據(jù)競爭的處理技術(shù),圖7-11 插入Stall消除Load引起的競爭,7.2 流水線中的主要問題及處理,7.2.3 數(shù)據(jù)競爭的處理技術(shù),圖7-12 插入Stall消除Load引起競爭的電路結(jié)構(gòu),7.2 流水線中的主要問題及處理,7.2.4 控制相關(guān),在指令流水線中，為了減少因控制相關(guān)而引起的流水線

9、性能下降，可采用如下方法：,（1）加快和提前形成條件碼,（2）轉(zhuǎn)移預(yù)測法,（3）優(yōu)化延遲轉(zhuǎn)移技術(shù),7.2 流水線中的主要問題及處理,7.2.5 流水實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù),需要的解決關(guān)鍵技術(shù)有：,（1）首先必須保證在指令重疊時，不存在任何流水線資源沖突問題。,（2）解決ID段和WB段在使用寄存器文件時出現(xiàn)的數(shù)據(jù)相關(guān)問題。,（3）解決PC改寫產(chǎn)生的控制競爭問題。,（4）使用流水線鎖存器。,（5）配置不同用途的算術(shù)/邏輯運算部件。,（6）數(shù)據(jù)流向控制。,7.3流水線的性能評價,7.3.1 流水線的性能指標,1流水線的主要性能指標,（1）吞吐率,（7-1）,（7-2）,7.3流水線的性能評價,7.3.1 流

10、水線的性能指標,1流水線的主要性能指標,（2）加速比,（7-3）,（7-4）,（3）使用效率,7.3流水線的性能評價,7.3.1 流水線的性能指標,2CPU性能公式,（7-5）,（7-6）,（7-7）,（7-8）,（7-9）,7.3流水線的性能評價,7.3.2 應(yīng)用舉例,1一般流水線的性能分析,7-13 用4段加法器求8個數(shù)和的流水線時空圖,流水線的吞吐率TP為,流水線的加速比S為,7.3流水線的性能評價,7.3.2 應(yīng)用舉例,2流水線延時與開銷對流水線性能的影響,單條指令執(zhí)行時間 = CC 平均CPI = 10 （60% 4 + 40% 5）= 44ns 平均指令執(zhí)行時間：CCpipelin

11、e = 11ns 于是得到：Speedup = 44 /11 = 4,欲求若使用流水線，執(zhí)行速度提高了幾倍。計算方法是：,欲求執(zhí)行速度提高了幾倍？計算方法如下：,平均指令執(zhí)行時間 = 10+8+10+10+7 = 45ns， 而流水線時平均指令執(zhí)行時間 = 11ns； 于是得到：Speedup = 45/11 = 4.1,7.3流水線的性能評價,7.3.2 應(yīng)用舉例,3流水線障礙（流水線競爭）對流水線性能的影響,（7-10）,CPI pipeline = CPI ideal + 流水線stall周期 = 1 +流水線stall周期,（7-11）,7.3流水線的性能評價,7.3.2 應(yīng)用舉

12、例,3流水線障礙（流水線競爭）對流水線性能的影響,（7-12）,（7-13）,7.3流水線的性能評價,7.3.2 應(yīng)用舉例,4結(jié)構(gòu)競爭對流水線性能的影響,圖7-14 7-13 結(jié)構(gòu)競爭示意圖,7.3流水線的性能評價,7.3.2 應(yīng)用舉例,4結(jié)構(gòu)競爭對流水線性能的影響,圖7-15 7-14 結(jié)構(gòu)競爭流水線狀態(tài)圖,7.3流水線的性能評價,7.3.2 應(yīng)用舉例,5控制競爭對流水線性能的影響,圖7-15 7-14 結(jié)構(gòu)競爭流水線狀態(tài)圖,7.3流水線的性能評價,7.3.2 應(yīng)用舉例,5控制競爭對流水線性能的影響,圖7-17 預(yù)測成功無停頓,7.3流水線的性能評價,7.3.2 應(yīng)用舉例,5控制競爭對流水線

13、性能的影響,圖7-18 預(yù)測失敗停頓一個周期,7.3流水線的性能評價,7.3.3 Amdahl定律,Amdahl定律還可以表為如下形式,習(xí) 題,7-1判斷以下三組指令中各存在哪種類型的數(shù)據(jù)相關(guān)？ （1）I1 LAD R1，A ；M（A） R1，M（A）是存儲器單元 I2 ADD R2，R1 ；（R2）（R1） R2 （2）I3 ADD R3，R4 ；（R3）（R4） R3 I4 MUL R4，R5 ；（R4）（R5） R4 （3）I5 LAD R6，B ；M（B） R6，M（B）是存儲單元 I6 MUL R6，R7 ；（R6） （R7） R6 7-2指令流水線有取指（IF）、譯碼（ID）、執(zhí)行

14、（EX）、訪存（MEM）、寫回寄存器堆（WB）五個過程段，現(xiàn)共有2條指令連續(xù)輸入此流水線。畫出流水處理的時空圖，假設(shè)時鐘周期為100ns。,習(xí) 題,7-3假設(shè)有一個計算機系統(tǒng)分為四級，每一級指令都比它下面一級指令在功能上強M倍。即一條r+1級指令能夠完成M條r指令的工作，且一條r+1指令需要N條r級指令解釋。對于一段在第一級執(zhí)行時間為K的程序，在第二、第三、第四級上的一段等效程序需要執(zhí)行多少時間？ 7-4對于一臺400MHz計算機執(zhí)行標淮測試程序，此程序中的指令類型，執(zhí)行數(shù)量和平均時鐘周期數(shù)如下表，求該計算機的有效CPI、MIPS和程序執(zhí)行時間。,習(xí) 題,7-5計算機系統(tǒng)中有三個部件可以改進，

15、這三個部件的部件加速比如下： 部件加速比1=30 ； 部件加速比2=20 ；部件加速比3=10 （1）如果部件1和部件2的可改進比例均為30，那么當(dāng)部件3的可改進比例為多少時，系統(tǒng)加速比才可以達到10%？ （2）如果三個部件的可改進比例分別為30、30和20，三個部件同時改進，那么系統(tǒng)中不可加速部分的執(zhí)行時間在總執(zhí)行時間中占的比例是多少？ （3）如果相對某個測試程序，三個部件的可改進比例分別為20、20%和70要達到最好改進效果，僅對一個部件改進時，要選擇哪個部件？如果允許改進兩個部件，又如何選擇？ 7-6在流水線處理器中，可能有哪幾種數(shù)據(jù)相關(guān)？這幾種相關(guān)分別發(fā)生在什么情況下？解決操作數(shù)相關(guān)的

16、方法有哪幾種？,習(xí) 題,7-7假設(shè)在一臺40MHz處理器上運行200 000條指令的目標代碼，程序主要由四種指令組成。根據(jù)程序跟蹤實驗結(jié)果，已知指令混合比和每種指令所需的指令數(shù)如下：,（1）計算在單處理機上用上述跟蹤數(shù)據(jù)運行程序的平均CPI。 （2）根據(jù)（1）所得CPI，計算相應(yīng)MIPS速率。,習(xí) 題,7-8對于一臺40MHz計算機執(zhí)行標準測試程序，程序中指令類型，執(zhí)行數(shù)量和平均時鐘周期數(shù)如下：,求該計算機的有效CPI、MIPS和程序執(zhí)行時間。 7-9敘述Amdahl定律的主要內(nèi)容。,實驗與設(shè)計,實驗7-1 乘法器實驗,圖7-19 最基本的硬件乘法器,實驗與設(shè)計,實驗7-1 乘法器實驗,圖7-

17、20 改進后的硬件乘法器,實驗與設(shè)計,實驗7-1 乘法器實驗,圖7-19 最基本的硬件乘法器,【例7-5】 library ieee; use ieee.std_logic_1164.all; use ieee.std_logic_unsigned.all; entity mult is port(mul_clk，ema，emb : in std_logic; a，b : in std_logic_vector(15 downto 0); mul_a_out，mul_b_out : out std_logic_vector(15 downto 0)); end mult; architect

18、ure rtl of mult is function and16_1(oper : in std_logic_vector(15 downto 0) ； sel:in std_logic) return std_logic_vector is begin if sel=1 then return oper; else return 0000000000000000 ； end if; end function and16_1; signalout0 : std_logic_vector(31 downto 0); signala_temp0:std_logic_vector(30 d

19、ownto 0); signala_temp1:std_logic_vector(29 downto 0); signala_temp2:std_logic_vector(28 downto 0); signala_temp3:std_logic_vector(27 downto 0); signala_temp4:std_logic_vector(26 downto 0);,接下頁,實驗與設(shè)計,實驗7-1 乘法器實驗,圖7-19 最基本的硬件乘法器,signala_temp5:std_logic_vector(25 downto 0); signala_temp6:std_logic_vec

20、tor(24 downto 0); signala_temp7:std_logic_vector(23 downto 0); signala_temp8:std_logic_vector(22 downto 0); signala_temp9:std_logic_vector(21 downto 0); signala_temp10:std_logic_vector(20 downto 0); signala_temp11:std_logic_vector(19 downto 0); signala_temp12:std_logic_vector(18 downto 0); signala_t

21、emp13:std_logic_vector(17 downto 0); signala_temp14:std_logic_vector(16 downto 0); signala_temp15:std_logic_vector(15 downto 0); begin process(mul_clk) begin if rising_edge(mul_clk)then a_temp0(30 downto 15) <= and16_1(a，b(15))；a_temp0(14 downto 0) <= b000000000000000 ； a_temp1(29 downto 14) <= and

22、16_1(a，b(14))；a_temp1(13 downto 0) <= b00000000000000 ； a_temp2(28 downto 13) <= and16_1(a，b(13))；a_temp2(12 downto 0) <= b0000000000000 ； a_temp3(27 downto 12) <= and16_1(a，b(12))；a_temp3(11 downto 0) <= b000000000000 ； a_temp4(26 downto 11) <= and16_1(a，b(11))；a_temp4(10 downto 0) <= b00000000000

23、； a_temp5(25 downto 10) <= and16_1(a，b(10))；a_temp5(9 downto 0) <= b0000000000 ； a_temp6(24 downto 9) <= and16_1(a，b(9)) ；a_temp6(8 downto 0) <= b000000000 ； a_temp7(23 downto 8) <= and16_1(a，b(8)) ；a_temp7(7 downto 0) <= b00000000 ； a_temp8(22 downto 7) <= and16_1(a，b(7)) ；a_temp8(6 downto 0) <= b0

24、000000 ； a_temp9(21 downto 6) <= and16_1(a，b(6)) ；a_temp9(5 downto 0) <= b000000 ；,接下頁,實驗與設(shè)計,實驗7-1 乘法器實驗,圖7-19 最基本的硬件乘法器,a_temp10(20 downto 5) <= and16_1(a，b(5)) ；a_temp10(4 downto 0) <= b00000 ； a_temp11(19 downto 4) <= and16_1(a，b(4)) ；a_temp11(3 downto 0) <= b0000 ； a_temp12(18 downto 3) <= and16

25、_1(a，b(3)) ；a_temp12(2 downto 0) <= b000 ； a_temp13(17 downto 2) <= and16_1(a，b(2)) ；a_temp13(1 downto 0) <= b00 ； a_temp14(16 downto 1) <= and16_1(a，b(1)) ；a_temp14(0) <= 0 ； a_temp15 <= and16_1(a，b(0)) ； end if； end process; process(a_temp0，a_temp1，a_temp2，a_temp3，a_temp4，a_temp5，a_temp6，a_te

26、mp7， a_temp8，a_temp9，a_temp10，a_temp11，a_temp12，a_temp13，a_temp14，a_temp15) variableout1，c1 :std_logic_vector(31 downto 0); variableout2 : std_logic_vector(29 downto 0); variableout3，c2 : std_logic_vector(27 downto 0); variableout4 : std_logic_vector(25 downto 0); variableout5，c3 : std_logic_vector(

27、23 downto 0); variableout6 :std_logic_vector(21 downto 0); variableout7，c4 : std_logic_vector(19 downto 0); variableout8 : std_logic_vector(17 downto 0); variablec5 : std_logic_vector(31 downto 0); variablec6 : std_logic_vector(27 downto 0); begin out1 := (0 out2 := (0 use ieee.std_logic_1164.all; u

28、se ieee.std_logic_unsigned.all; entity div is port(div_clk:in std_logic; ea，eb: in std_logic; a，b:in std_logic_vector(15 downto 0); div_a_out，div_b_out:out std_logic_vector(15 downto 0)); end div; architecture rtl of div is signalsigna，signb:std_logic_vector(15 downto 0); begin process(div_clk),接下頁,

29、實驗與設(shè)計,實驗7-2 除法器實驗,variable a_temp，b_temp: std_logic_vector(15 downto 0); variablep，q:std_logic_vector(15 downto 0); begin if rising_edge(div_clk) then a_temp := a ; b_temp := b; p := b0000000000000000；q := b0000000000000000; for i in signarange loop p := p(14 downto 0) process(ea，eb，signa，signb) begin if ea=1 then div_a_out<=signa else div_a_out<=ZZZZZZZZZZZZZZZZ end if ； if eb=1 then div_b_out<=signb ； else div_b_out<=ZZZZZZZZZZZZZZZZ ； end if ； end process ； end rtl ；,實驗與設(shè)計,實驗7-2 除法器實驗,圖7-23 除法運算流程圖,實驗與設(shè)計,實驗7-2 除法器實驗,圖7-24 1616除法器仿真運算結(jié)果,