计算机组成_ 流水线处理器(Pipelined Processor)_

十级流水线 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9 S10
◦ 时钟周期：100ps+50ps=150ps
流水线的深度
流水线的级数是越多越好吗？
◦ 否！
五级流水线 S1
S2
S3
S4
S5
◦ 时钟周期：200ps+50ps=250ps
◦ 单条指令的延迟：1250ps
◦ 流水线寄存器延迟所占比例：50ps / 250ps = 20%
IF ID EX MEM WB
lw …
IMem Reg ALU DMem Reg
instruction 1 IMem Reg ALU DMem Reg
instruction 2
IMem Reg ALU DMem Reg
bubble bubble bubble bubble bubble
instruction 3 instruction 4
本节主题
流水线的优化
北京大学 · 慕课 计算机组成
制作人：陆俊林
流水线的分析
洗菜
时钟周期=1分钟
切菜
炒菜
装盘
1分钟
单独一道菜 做四道菜 连续工作
1分钟
1分钟
1分钟
流水线方式
非流水线方式
4+分钟
≈
4分钟
7+分钟
16分钟
每1+分钟上一道菜 ＜ 每4分钟上一道菜
≈4倍
流水线的平衡性
洗菜
时钟周期=2分钟
单独一道菜
5+分钟
≈
5分钟
做四道菜
8+分钟
20分钟
连续工作
每1+分钟上一道菜百度文库＜ 每5分钟上一道菜 ≈5倍
“超级流水线”
“超级流水线”技术 （Super Pipelining）
◦ 将五级流水线细分为更多的阶段，增加流水线的深度
◦ 提升时钟频率，从而提高指令吞吐率
五级流水线 S1
S2
S3
S4
S5
◦ 时钟周期：200ps+50ps=250ps
IF ID EX MEM WB
IMem Reg ALU DMem Reg
instruction 1 IMem Reg ALU DMem Reg
instruction 2
IMem Reg ALU DMem Reg
instruction 3
IMem Reg ALU DMem Reg
instruction 4
十级流水线 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9 S10
◦ 时钟周期：100ps+50ps=150ps
◦ 单条指令的延迟：1500ps
◦ 流水线寄存器延迟所占比例：50ps / 150ps = 33%
处理器流水线深度的变化
1986年，R2000: 5级
1988年，R3000: 5级
lw …
IF ID EX MEM WB
IMem Reg ALU DMem Reg
instruction 1 IMem Reg ALU DMem Reg
instruction 2
IMem Reg ALU DMem Reg
instruction 3
IMem Reg ALU DMem Reg
instruction 4
IMem Reg ALU DMem Reg
instruction 5
IMem Reg ALU DMem Reg
如果指令和数据放在同一个存储器中，则不能同时读存储器 解决方案2：指令和数据放在不同的存储器中
结构冒险（示例2）
时间（ps）0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400
IF ID EX MEM WB
lw …
IMem Reg ALU DMem Reg
instruction 1 IMem Reg ALU DMem Reg
instruction 2
IMem Reg ALU DMem Reg
① 结构冒险
◦ 所需的硬件部件正在为之前的指令工作
② 数据冒险
◦ 需要等待之前的指令完成数据的读写
③ 控制冒险
◦ 需要根据之前指令的结果决定下一步的行为
结构冒险（示例1）
时间（ps）0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400
lw …
1991年，R4000（64位）: 8级
1993年，Pentium: 5级 1995年，Pentium Pro: 12级
取指
译码
地址生成
执行
回写
IF1 IF2 IF3 ID1 ID2 RAT ROB DIS EX WB RR RET
1997年，ARM9: 5级 2002年，ARM11: 8级
取指
译码
IMem Reg ALU DMem Reg IMem Reg ALU DMem Reg
如果指令和数据放在同一个存储器中，则不能同时读存储器 解决方案1：流水线停顿（stall），产生空泡（bubble）
结构冒险（示例1）
时间（ps）0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400
2010年，Cortex-A9：11级
2013年，Core i7(Haswell)：14级
2013年，Cortex-A57：15级
本节小结
流水线的优化
北京大学 · 慕课 计算机组成
制作人：陆俊林
本节主题
流水线的“冒险”
北京大学 · 慕课 计算机组成
制作人：陆俊林
“冒险”（Hazard）
阻止下一条指令在下一个时钟周期开始执行的情况
取指1 取指2 译码
执行
访存
写回
发射 执行1 执行2 执行3 写回
2004年，Pemtium 4(Prescott)：31级
2006年，Core 2 Duo(Merom)：14级
2008年，Core i7(Nehalem)：16级
2009年，Cortex-A8：13级
2011年，Cortex-A15：15级
切菜
炒菜
装盘
1分钟
2分钟
1分钟
1分钟
不平衡的流水线 流水线方式
非流水线方式
单独一道菜
8+分钟
＞
5分钟
做四道菜
14+分钟
20分钟
连续工作
每2+分钟上一道菜 ＜ 每5分钟上一道菜
≈2.5倍
流水线的调整
时钟周期=1分钟
洗菜
切菜1
切菜2
炒菜
装盘
1分钟
1分钟
1分钟
1分钟
1分钟
平衡的流水线 流水线方式
非流水线方式
IMem Reg ALU DMem Reg
instruction 5
IMem Reg ALU DMem Reg
如果指令和数据放在同一个存储器中，则不能同时读存储器
结构冒险（示例1）
时间（ps）0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400