MIPS指令五级流水CPU设计资料课件.ppt
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- 关 键 词:
- MIPS 指令 流水 CPU 设计 资料 课件
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1、4.5.1 多周期CPU回顾4.5.2 指令流水基本概念4.5.3 MIPS指令流水的实现4.5 MIPS指令五级流水指令五级流水CPU设计设计4.5.1 多周期多周期CPU回顾回顾多周期CPU特点指令的执行划分为多个步骤每个步骤占用一个CPU周期不同指令的指令周期不同指令串行执行提高了整体性能各部件利用率依然偏低CPI 1可以如何改进呢?2. 指令的二级流水指令的二级流水1. 指令的串行执行指令的串行执行取指令取指令 取指令部件取指令部件 完成完成总有一个部件总有一个部件 空闲空闲指令预取指令预取若若 取指取指 和和 执行执行 阶段时间上阶段时间上 完全重叠完全重叠指令周期指令周期 减半减半
2、 速度提高速度提高 1 倍倍执行指令执行指令 执行指令部件执行指令部件 完成完成取指令取指令 1执行执行指令指令 1 取取指令指令 2 执行执行指令指令 2 取取指令指令 3 执行指令执行指令 3取指令取指令 2执行指令执行指令 2取指令取指令 1执行指令执行指令 1时间时间?4.5.2 指令流水基本概念指令流水基本概念一、指令的几种执行方式二、二、 流水线操作时空图流水线操作时空图装入阶段装入阶段稳定流水阶段稳定流水阶段排空阶段排空阶段执行操作执行操作取数操作取数操作分析指令分析指令取指令取指令 空间空间T0 T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 时间时间I234567 指令
3、的流水线结构类似于工厂中的装配流水线,使连续操作的多条指令,指令的流水线结构类似于工厂中的装配流水线,使连续操作的多条指令,依次流入四个功能部件,使四个功能部件不停地依次处理不同指令的执行要依次流入四个功能部件,使四个功能部件不停地依次处理不同指令的执行要求,这样在每隔一个部件工作时间求,这样在每隔一个部件工作时间t,就可送入一条新的指令,每经过时间,就可送入一条新的指令,每经过时间t就可得到一条指令执行的结果,指令执行速度可提高四倍。就可得到一条指令执行的结果,指令执行速度可提高四倍。三、指令流水线的特点三、指令流水线的特点指令指令 1 与指令与指令 4 冲突冲突指令指令 2 与指令与指令
4、5 冲突冲突指令指令1、指令、指令3、指令、指令 6 冲突冲突COFOEI WODIFICOFOEIWODIFICO FOEIWODIFICO FOEI WODIFICOFOEIWODIFICO FOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEI WODIFICO FOEIWODIFI指令指令 1指令指令 2指令指令 3指令指令 4指令指令 5指令指令 6指令指令 7指令指令 8指令指令 9 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14t四、影响指令流水线性能的因素四、影响指令流水线性能的因素1. 结构相关结构相关不同指令争用同一功能部件产生资源冲突不同指令争用同一功
5、能部件产生资源冲突程序中相近的指令之间出现某种关联程序中相近的指令之间出现某种关联使指令流水出现停顿,影响流水线效率使指令流水出现停顿,影响流水线效率解决办法解决办法: 停顿(插入汽泡)停顿(插入汽泡) 指令存储器和数据存储器分开指令存储器和数据存储器分开2. 数据相关数据相关不同指令因重叠操作,可能改变操作数的不同指令因重叠操作,可能改变操作数的 读读/写写 访问顺序访问顺序 采用采用 旁路技术旁路技术解决办法解决办法 写后读相关(写后读相关(RAW)SUB R1,R2,R3ADD R4,R5,R1;(;(R2) (R3) R1;(;(R5)+(R1) R4 读后写相关(读后写相关(WAR)
6、STA M,R2ADD R2,R4,R5;(;(R2) M 存储单元存储单元;(;(R4)+(R5) R2 写后写相关(写后写相关(WAW)采用采用乱序执行乱序执行法解决法解决MUL R3,R2,R1SUB R3,R4,R5;(;(R2) (R1) R3;(;(R4) (R5) R3n控制相关的冲突问题是由转移指令引起的。控制相关的冲突问题是由转移指令引起的。无条件转移指令无条件转移指令条件转移指令条件转移指令子程序调用指令子程序调用指令中断指令中断指令n解决流水线中主要问题的几种方法解决流水线中主要问题的几种方法: 1.采用等待法解决指令相关的问题采用等待法解决指令相关的问题; 2.采用分支
7、预测采用分支预测: 静态静态 、动态预测、动态预测.3. 控制相关控制相关4.5.3 MIPS指令流水的实现指令流水的实现指令执行步骤 取指令(IF) 指令译码(ID/RF) 指令执行(EXE) 读存储器(MEM) 写回(WB)各步骤占用的资源 IF:IM、PC ID/RF:寄存器组、控制信号生成部件 EXE:ALU MEM:DM WB:寄存器组多周期CPU适合指令流水实现吗?已分解为多个步骤,但步骤间的资源冲突比较频繁单周期CPU容易实现指令流水吗?SignImmCLKARDInstructionMemory+4A1A3WD3RD2RD1WE3A2CLKSign ExtendRegister
8、File0101ARDDataMemoryWDWE01PC01PCInstr25:2120:1615:05:0SrcB20:1615:112+ALUResultReadDataWriteDataSrcAPCPlus4PCBranchWriteReg4:0Result31:26RegDstBranchMemWriteMemtoRegALUSrcRegWriteOpFunctControlUnitZeroPCSrcCLKALUControl2:0ALU1010010100一、流水线的实现一、流水线的实现 每条指令的实现至多需要5个时钟周期,时钟周期如下取指令周期(取指令周期(IF)指令译码读寄存器
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