DLX的基本流水線課件

DLX的基本流水線3.2.1DLX的一種簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)首先討論在不流水的情況下，如何實(shí)現(xiàn)DLX。1.實(shí)現(xiàn)DLX指令的一種簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)通路

2.一條DLX指令最多需要以下5個(gè)時(shí)鐘週期：（1）取指令週期（IF）

IR←Mem[PC]

NPC←PC＋4

操作3.2DLX的基本流水線（2）指令解碼/讀寄存器週期（ID）

A←Regs[IR6

..10]

B←Regs[IR11

..15]

Imm←(IR16)16##IR16

..31

操作

指令解碼和讀寄存器是並行進(jìn)行的。之所

以能做到這一點(diǎn)，是因?yàn)樵贒LX指令格式中，

操作碼在固定位置。這種技術(shù)也稱為固定字段

譯碼。3.2DLX的基本流水線

（3）執(zhí)行/有效地址計(jì)算週期（EX）

在這個(gè)週期，不同的指令有不同的操作。3.2DLX的基本流水線◆

記憶體訪問

ALUOutput←A＋I(xiàn)mm

操作

◆

寄存器―寄存器ALU操作

ALUOutput←AopB操作◆

寄存器―立即值A(chǔ)LU操作

ALUOutput←AopImm操作3.2DLX的基本流水線◆

分支操作

ALUOutput←NPC＋I(xiàn)mm

Cond←(Aop0)操作（4）記憶體訪問/分支完成週期（MEM）

在該週期處理的DLX指令只有Load、Store和

分支指令。

這裏，將有效地址計(jì)算週期和執(zhí)行週期合併為一個(gè)時(shí)鐘週期，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，沒有任何指令需要同時(shí)計(jì)算數(shù)據(jù)的記憶體地址、計(jì)算分支指令的目標(biāo)地址和進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。3.2DLX的基本流水線◆

記憶體訪問

LMD←Mem[ALUOutput]

或

Mem[ALUOutput]←B

操作

3.2DLX的基本流水線◆

分支操作

if（cond）PC←ALUOutput

else

PC←NPC

操作（5）寫回週期（WB）

不同指令在該週期完成的工作也不一樣?！?/p>

寄存器―寄存器型ALU指令

Regs[IR16

..20]←ALUOutput

操作

◆

寄存器―立即值型ALU指令

Regs[IR11

..15]←ALUOutput

操作◆

Load

指令

Regs[IR11

..15]←LMD操作

3.2DLX的基本流水線寄存器―寄存器型ALU指令

Regs[IR16

..20]←ALUOutput寄存器―立即值型ALU指令

Regs[IR11

..15]←ALUOutputLoad

指令

Regs[IR11

..15]←LMD

3.分支指令需要4個(gè)時(shí)鐘週期,

其它指令需要5個(gè)時(shí)鐘週期

假設(shè)分支指令占總指令數(shù)的12％,則:

CPI＝4.88

上述實(shí)現(xiàn)無(wú)論在性能上，還是在硬體開銷上，都不是優(yōu)化的。3.2DLX的基本流水線3.2.2

基本的DLX流水線

我們可以把3.2.1中的數(shù)據(jù)通路流水化：

每個(gè)時(shí)鐘週期啟動(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。1.一種簡(jiǎn)單的DLX流水線2.簡(jiǎn)單DLX流水線的流水過程第一種描述（類似於時(shí)空?qǐng)D）

第二種描述（按時(shí)間錯(cuò)開的數(shù)據(jù)通路序列）3.2DLX的基本流水線3.2DLX的基本流水線按時(shí)間錯(cuò)開的數(shù)據(jù)通路序列3.採(cǎi)用流水技術(shù)還應(yīng)解決好以下幾個(gè)問題：上述簡(jiǎn)單DLX流水線中：◆

指令記憶體（IM）和數(shù)據(jù)記憶體（DM）分

開，避免了訪存衝突。

◆

ID段和WB段都要訪問同一寄存器檔。

ID段：讀WB段：寫

如何解決對(duì)同一寄存器的訪問衝突？（1）應(yīng)保證不會(huì)在同一個(gè)時(shí)鐘週期內(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。3.2DLX的基本流水線◆

沒有考慮PC問題

流水線為了能夠每個(gè)時(shí)鐘週期啟動(dòng)一條

新的指令，就必須在每個(gè)時(shí)鐘週期進(jìn)行PC值

的加4操作，並保留新的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。3.2DLX的基本流水線

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)致衝突。為解決問題，我們重新組織數(shù)據(jù)通路，把所有改變

PC值的操作都放在IF段進(jìn)行。但分支指令如何處理？（2）每一流水段內(nèi)的操作都必須在一個(gè)時(shí)鐘週期

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

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)和控制資訊從一個(gè)流水段傳

送到下一個(gè)流水段。（3）流水線寄存器（組）3.2DLX的基本流水線◆流水線寄存器的構(gòu)成4.DLX流水線的操作

對(duì)於流水線中的指令來(lái)說，在任一時(shí)刻，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。

3.2DLX的基本流水線流水段表3.1DLX流水線的每個(gè)流水段的操作任何指令類型ALU指令Load/Store指令分支指令I(lǐng)FIDEXIF/ID.IR←Mem[PC]IF/ID.NPC,PC←(ifEX/MEM.cond{EX/MEM.NPC}else{PC+4});ID/EX.A←Regs[IF/ID.IR6..10];ID/EX.B←Regs[IF/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.AopID/EX.B

或

EX/MEM.ALUOutput←

ID/EX.AopID/EX.Imm;

EX/MEM.cond←0;EX/MEM.IR←

ID/EX.IR;EX/MEM.ALUOutput←

ID/EX.A+ID/EX.Imm;EX/MEM.ALUOutput←

ID/EX.NPC+

ID/EX.Imm;

EX/MEM.cond←

(ID/EX.Aop0);(動(dòng)畫演示)(動(dòng)畫演示)(動(dòng)畫演示)(動(dòng)畫演示)(動(dòng)畫演示)流水段任何指令類型ALU指令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←

Mem[EX/MEM.ALUOutput];

或

Mem[EX/MEM.ALUOutput]←

EX/MEM.B;Regs[MEM/WB.IR16..20]←

MEM/WB.ALUOutput;

或

Regs[MEM/WB.IR11..15]←

MEM/WB.ALUOutput;Regs[MEM/WB.IR11..15]←

MEM/WB.LMD;表3.1DLX流水線的每個(gè)流水段的操作(動(dòng)畫演示)(動(dòng)畫演示)(動(dòng)畫演示)(動(dòng)畫演示)5．DLX流水線的控制

主要是確定如何控制那四個(gè)多路選擇器。3.2.3流水線性能分析

吞吐率是指單位時(shí)間內(nèi)流水線所完成的任務(wù)數(shù)或輸出結(jié)果的數(shù)量。1.吞吐率(1)最大吞吐率TPmax

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)後所得到的吞吐率。

◆

若流水線各段的時(shí)間相等，均為△t0

，

則：

TPmax＝1/△t03.2DLX的基本流水線◆

若流水線各段的時(shí)間不等，則：◆

最大吞吐率取決於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(舉例)

細(xì)分瓶頸段重複設(shè)置瓶頸段(時(shí)-空?qǐng)D)1max{△ti}TPmax＝─────3.2DLX的基本流水線重複設(shè)置瓶頸段(時(shí)-空?qǐng)D舉例)◆

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，完成n個(gè)任務(wù)。

時(shí)空?qǐng)D完成n個(gè)任務(wù)所需的時(shí)間

T流水＝m△t0＋(n－1)△t0

(說明)(2)實(shí)際吞吐率TP

流水線的實(shí)際吞吐率小於最大吞吐率。3.2DLX的基本流水線完成n個(gè)任務(wù)所需的時(shí)間

實(shí)際吞吐率TP＝───＝──────────T流水nm△t0＋(n－１)△t0n(1＋)△t0

m－11TPmaxn＝────────＝─────1＋nm－1TP＜TPmax

當(dāng)n>>m時(shí)，TP≈TPmax◆

第二種情況：各段時(shí)間不等

時(shí)空?qǐng)D3.2DLX的基本流水線3.2DLX的基本流水線

完成n個(gè)任務(wù)所需的時(shí)間

T流水＝∑△ti＋(n－1)△tj△tj＝max{△ti}

實(shí)際吞吐率TP＝──────────∑△ti＋(n－1)△tjmi=1ni=1m3.2DLX的基本流水線

加速比是指流水線的速度與等功能非流水

線的速度之比。2.加速比S

S＝T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個(gè)任務(wù)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＝nm△t0

(解釋)

T流水＝m△t0＋(n－1)△t0

3.2DLX的基本流水線3.2DLX的基本流水線可以看出：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)備利用率。

(1)由於流水線有通過時(shí)間和排空時(shí)間，所以

流水線的各段並不是一直滿負(fù)荷地工作。

故：E

＜1S＝───＝

─────────T非流水T流水nm△t0m△t0＋(n－1)△t0mnm＋n－1mn1＋

m－1＝

────

＝────3．效率E3.2DLX的基本流水線3.2DLX的基本流水線(2)若各段時(shí)間相等，則各段的效率ei相等，即

e1＝e2＝e3＝＝em＝n△t0／T流水

(解釋)

整個(gè)流水線的效率為:當(dāng)n>>m

時(shí)，E

≈1E

＝

───＝

────＝

─────n△t0T流水nm＋n－11n1＋

m－1(3)從時(shí)－空?qǐng)D上看，效率實(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)佔(zhàn)用的時(shí)空區(qū)

E＝━━━━━━━━━━━━━

(解釋)

m個(gè)段總的時(shí)空區(qū)……3.2DLX的基本流水線(4)提高流水線效率所採(cǎi)取的措施對(duì)於提高

吞吐率也有好處。4．流水線性能分析舉例例3.1

在靜態(tài)流水線上計(jì)算

∑

AiBi

，

求：吞吐率，加速比，效率。4i=13.2DLX的基本流水線3.2DLX的基本流水線解：(1)確定適合於流水處理的計(jì)算過程(2)畫時(shí)空?qǐng)D(3)計(jì)算性能

吞吐率

TP＝7／(20△t)

加速比

S＝(34△t)／(20△t)＝1.7

效率

E＝(4×4＋3×6)／(8×20)＝0.213.2DLX的基本流水線3.2DLX的基本流水線可以看出，在求解此問題時(shí)，該流水線的效率

不高。(原因)動(dòng)態(tài)流水線的時(shí)－空?qǐng)D舉例Ⅰ

3.2DLX的基本流水線舉例Ⅱ:這樣行不行？

正確答案3.2DLX的基本流水線例3.2

假設(shè)前面DLX非流水線實(shí)現(xiàn)的時(shí)鐘週期時(shí)間

為10ns，ALU和分支指令需要4個(gè)時(shí)鐘週期，訪

問記憶體指令需5個(gè)時(shí)鐘週期，上述指令在程式

中出現(xiàn)的相對(duì)頻率分別是：40%、20%和40%。在

基本的DLX流水線中，假設(shè)由於時(shí)鐘扭曲和寄存

器建立延遲等原因，流水線要在其時(shí)鐘週期時(shí)

間上附加1ns的額外開銷。現(xiàn)忽略任何其他延遲

因素的影響，請(qǐng)問：相對(duì)於非流水實(shí)現(xiàn)而言，

基本的DLX流水線執(zhí)行指令的加速比是多少？3.2DLX的基本流水線解：當(dāng)非流水執(zhí)行指令時(shí)，指令的平均執(zhí)行時(shí)

間為

TPI非流水

=10ns×((40%+20%)×4＋40%×5)

=10ns×4.4=44ns

在流水實(shí)現(xiàn)中，指令執(zhí)行的平均時(shí)間

是最慢一段的執(zhí)行時(shí)間加上額外開銷，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==43.2DLX的基本流水線例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（ns），

流水額外開銷為：1ns，求加速比S。解