计算机体系结构之流水线

一、引入流水线

  流水线，把一个工作细化、拆分，不同人干不同事，同一时刻好多人一起工作。

  计算机体系里面的流水线也是如此，cpu执行一条指令，从取指、译码、执行、访存、写回，一步一步的，但是效率太慢，于是将步骤细化。提高了吞吐量，但增加了延迟。

二、流水线架构图

　

一条指令的执行被分为多个阶段执行，这样第一条指令的取指完成之后，第二条指令就可以进行取指了（即自然的保证了指令的有序性），不必等到上一条指令全部执行完成，增加了吞吐量（单位时间内服务的指令数量），相应的增加了单条指令的延迟（服务一条指令的时间，有的指令不需要经理全部五条阶段）。

 

暂停：

   在指令之间插入nop指令，等效于插入一条无效指令使得下一条指令延迟一个周期

气泡：

   在执行阶段之后插入nop指令，无效指令的执行效果。

   （气泡和暂停的区别是：暂停是从取指到写回一整个周期的指令，而气泡可以在各个阶段无效执行结果，不必从取指开始）

转发：

    基本可以理解为：一个时钟周期就执行一个阶段，当时钟开始上升沿时，先进行阶段流水线状态的保存，之后执行指令。如此，就可以实现转发功能，因为译码阶段可能会使用到之后三个阶段中的值，所以为了不暂停流水线三个周期（译码阶段使用了写回阶段的值，示例1）、或两个周期（译码解阶段使用了上条指令访存阶段的值，示例2）、或一个周期（译码解阶段使用了上条指令执行阶段的值，示例3）

 

• 初始：不使用转发，必须暂停三个周期 nop等效于暂停
•        irmovq $3 %rax;  nop;   nop;  nop;  addq %rdx, %rax;
• 示例1：irmovq $3 %rax;  nop;   nop;  addq %rdx, %rax; 只需暂停两个周期
• 示例2：irmovq $3 %rax;  nop;  addq %rdx, %rax; 只需暂停一个周期
• 示例3：irmovq $3 %rax;  addq %rdx, %rax; 不需暂停

问：既然转发了m_valM、M_valE,为什么还需要转发W_valM、W_valE？

    访存阶段的m_valM、M_valE表示的是上条指令的值，而写回阶段的表示的是上上条指令的值。

 

• W_valE、W_valM：转发写回阶段流水线的值
• M_valE、m_valM：转发访存阶段的值
• e_valE：转发执行阶段的值

 三、流水线预测

  数据冒险:转发和暂停
  控制冒险:分支预测+插入气泡

  流水线控制逻辑:4种情况转发和分支预测不能处理

• 加载/使用冒险:一条从内存读出一个值的指令（执行周期）和一条使用该值的指令（译码周期）之间，流水线必须暂停一个周期
• 处理ret:流水线必须暂停直到指令写回
• 预测错误的分支:执行阶段是一个跳转指令（jep）,需要取消，并从跳转指令后面的那条指令开始取指
• 异常:必须在指令到达写回阶段时，停止执行

  转发:首先检测执行中的转发源，然后是访存阶段，最后是写回阶段

 

欢迎来看我的网站https://zcc6248.top