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5.6-指令流水线基本概念和性能指标

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💡 TIP

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定义

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  • 顺序执行方式
    • 优点：控制简单，硬件代价小
    • 缺点：执行指令的速度较慢，在任何时刻，处理机中只有一条指令在执行，各功能部件的利用率很低。

  • 一次重叠执行方式image-20250102105626690

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    • 优点：程序的执行时间缩短了1/3，各功能部件的利用率明显提高

    • 缺点：需要付出硬件上较大开销的代价，控制过程也比顺序执行复杂了

  • 二次重叠方式image-20250102105902185

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    也可以把每条指令的执行过程分成4个或5个阶段，分成5个阶段是比较常见的做法.

表示方法

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性能指标

  1. 吞吐率

    吞吐率是指在单位时间内流水线所完成的任务数量，或是输出结果的数量

    或是 单位时间内，我们可以完成多少条指令

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  2. 加速比image-20250102110715722

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  3. 效率image-20250102110810111

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影响因素

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MIPS架构

  1. 结构相关 资源冲突

    由于多条指令在同一时刻争用同一资源而形成的冲突称为结构相关

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    • 解决方案

      1. 后一指令暂停一周期

      2. 资源重复配置

        数据寄存器+指令寄存器

  2. 数据相关（数据冲突）

    数据相关指在一个程序中，存在必须等前一条指令执行完才能执行后一条指令的情况

    则这两条指令即为数据相关image-20250102115530510

    • 解决方案：

      1. 把遇到数据相关的指令及其后续指令都暂停一至几个时钟周期，知道数据相关问题消失后再继续执行。可分为硬件阻塞（stall）和软件插入“NOP”两种方法。

      2. 数据旁路技术。也叫转发机制

        加一条引脚

      3. 编译优化：通过编译器调整指令顺序来解决数据相关。

  3. 控制相关（控制冲突）

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    • 解决办法：

      1. 转移指令分支预测

        简单预测（永远猜 true 或 false）

        动态预测（根据历史情况动态调整）

      2. 预取转移成功和不成功两个控制流方向上的目标指令

      3. 加快和提前形成条件码

      4. 提高转移方向的猜准率

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流水线的分类

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流水线的多发技术

  1. 超标量技术image-20250102121602406

    需要与乱序发射做对比，乱序发射中允许用户在执行中修改指令的执行顺序

  2. 超流水技术image-20250102121722370image-20250102121748779

  3. 超长指令字image-20250102121843554

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五段式指令流水线

运算器指令的执行过程

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💡 TIP

例题

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总结

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-- HUMAN RESOURCE MACHINE PROGRAM --

a:
b:
    INBOX   
    COPYTO   0
    JUMPN    d
    COMMENT  0
c:
    OUTBOX  
    BUMPDN   0
    JUMPN    a
    JUMP     c
    COMMENT  1
d:
    COMMENT  2
e:
    OUTBOX  
    BUMPUP   0
    JUMPN    e
    OUTBOX  
    COMMENT  3
    JUMP     b


DEFINE COMMENT 0
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;

DEFINE COMMENT 1
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E6M;

DEFINE COMMENT 2
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DEFINE COMMENT 3
eJxjZmBg8C70bPu44nc7wygYBaNgxAEAleoEqg;


(完)