指令流水线
指令流水线的原理
指令流水线的原理
指令流水线是一种基于并行处理的计算机指令执行方法，通过将指令执行过程分为若干个互相独立的阶段，使得每个阶段可以同时处理不同的指令，从而提高计算机的执行效率。
指令流水线的原理可以简单描述为以下几个步骤：
1. 指令获取阶段：从存储器中获取将要执行的指令，并将其送入指令译码阶段。
2. 指令译码阶段：对获取的指令进行译码，确定指令类型和操作数，并将其送入执行阶段。
3. 执行阶段：根据指令类型和操作数进行相应的操作，如运算、移位、存储等。
4. 访存阶段：如果指令需要访问存储器，则进行存储器操作，如读取或写入数据。
5. 写回阶段：将执行结果写回到寄存器文件或存储器中。
以上是指令流水线的基本阶段，不同的指令流水线可能还包括其他特定的阶段，如乘法器阶段、除法器阶段等。
指令流水线的关键在于将指令执行过程分解为多个互相独立的阶段，并使得各个阶段可以同时进行。
这样可以避免指令之间的冲突，提高指令的并行度和处理效率。
同时，指令流水线还
可以通过插入空泡来解决可能出现的冲突和数据依赖问题，以保证指令的正确执行。
总之，指令流水线是一种有效提高计算机处理效率的方法，通过将指令执行过程分解为多个互相独立的阶段，实现指令的并行处理，从而加快指令的执行速度。
流水线相关性分析
1、指令流水线中主要有结构相关、数据相关、控制相关。
相关影响流水线性能。
程序中出现的数据相关lbu r3,0x0(r2)需要在WB周期才能将值写入r3里，而后续的指令seqi r5,r3,0x0a在intEx周期里读取r3寄存器的值，发生了读写相关。
正常它的执行阶段需要等待上一条指令将值写入r3后才能读r3寄存器的值，所以为了避免冲突，这里我们采用定向技术，在发生数据相关时，等待前面计算结果的指令并不一定真的马上就用到该计算结果，如果能够将该计算结果从其产生的地方直接送到其他指令需要它的地方，就可以避免暂停。
程序中出现的控制相关Movi2fp f10,r1在IF指令周期后为aborted。
原因在于：第二条指令jal InputUnsigned为无条件转移指令，但是只有在该指令译码的时候才可以知道转移的位置。
但是此时Movi2fp f10,r1指令已经取出，所以需要将该指令流水清空，由于是刚执行了IF指令，所以只需要重新取新的指令就可以了。
程序中出现的结构相关由于以上指令add r1,r1,r3的intEx的执行延迟了4个指令周期，所以addi r2,r2,0x1指令就不能在add r1,r1,r3的intEx的执行前进入ID指令译码的执行。
所以这里出现了指令译码器的争用。
因而发生了结构相关。
2、考察增加浮点运算部件对性能的影响下面两组数据来自Statistics窗口，都是5的阶乘，分别是运算部件设置为一个，运算部件设置为两个的数据统计。
通过比较可以发现，这两组数据在性能统计上是一样的。
所以增加浮点运算部件对性能的影响没有什么影响（对于该程序而言）。
3、考察增加forward部件对性能的影响左右分别是采用forwarding和没有采用forwarding部件的统计效果。
性能比较必须是计算同一个值的时候。
通过比较发现，采用forwarding 技术，总的周期数为95次，暂停了31次。
而没有采用forwarding 技术则总的周期数为112次，暂停了49次。
五段指令流水线kppt
6
五段流水线模拟
部分代码实现：五段指令部分用链表来实现。定义 一个头结点*Head,中间节点共5个。用*next相连。 当到达最后一个阶段WB的NEXT，直接删除（ delete this）.同时用一个静态变量t来控制时钟。 设置成一个时钟函数。
7
五段流水线模拟
1、典型的流水线执行分五段，IF,ID,IE,MEM,WB 2，开发环境MFC 3, 执行流程模拟,显示指令执行的具体阶段： 第一条指令取值：
1
五段流水线模拟
1、第一条指令的ID阶段，第二条指令的IF阶段
Hale Waihona Puke 2五段流水线模拟 1、第一条指令的EX阶段，第二条指令的ID阶段,第 三台指令的IF阶段。
3
五段流水线模拟
1、第一条指令的MEM阶段，第二条指令的EX阶段 ,第三台指令的ID阶段，第四条指令IF阶段。
4
五段流水线模拟
1、第一条指令的WB阶段，第二条指令的MEM阶 段,第三台指令的EX阶段，第四条指令ID阶段第五 条指令IF阶段。
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五段流水线模拟
1、第一条指令的WB阶段，第二条指令的MEM阶 段,第三台指令的EX阶段，第四条指令ID阶段第五 条指令IF阶段。
pipeline原理
pipeline原理
Pipeline（管道）是一种计算机科学中常见的概念，它通常用于描述一系列处理单元（或阶段）按顺序连接起来，以便完成特定任务或处理数据流。
在计算机科学和工程中，管道的概念被广泛应用于多个领域，包括操作系统、编程语言、软件工程等。
在计算机体系结构中，Pipeline通常用于描述指令流水线。
指令流水线是一种处理器设计技术，通过将指令执行过程分解为多个阶段，并使每个阶段同时执行不同指令的部分，以提高处理器的吞吐量和性能。
典型的流水线包括取指、译码、执行、访存和写回等阶段，每个阶段负责处理指令执行过程中的不同部分。
这种流水线设计可以使处理器在同一时刻执行多条指令，从而提高指令的处理速度。
在软件工程中，Pipeline常用于描述持续集成和持续交付
（CI/CD）流程。
持续集成是指开发人员频繁地将代码集成到共享存储库中，并通过自动化构建和测试流程来验证新代码的正确性。
持续交付是指将经过测试和验证的代码自动部署到生产环境中。
Pipeline在这里通常指代一系列自动化的步骤，包括代码检查、编译、单元测试、集成测试、部署等，这些步骤按顺序连接起来，形
成一个自动化的流程，以确保代码的质量和稳定性。
总的来说，Pipeline是一种将多个处理单元按顺序连接起来的
概念，它在计算机体系结构、软件工程等领域都有重要的应用。
通
过合理设计和使用Pipeline，可以提高系统的性能、可靠性和效率。
指令流水线——精选推荐
指令流⽔线流⽔线指令如果可以⼀个重复的过程分解成若⼲个⼦过程，每个⼦过程可以和其他的⼦过程并⾏；⼀条指令的执⾏可以分成多个阶段，根据计算机的不同，具体的分法也不同；例如之前总结的⼀个指令的执⾏可能分成如下⼏个阶段1. 取址阶段2. 间址阶段3. 执⾏阶段4. 中断阶段举个例⼦，某个指令执⾏3个阶段，每个阶段执⾏都是时间t，执⾏n次顺序执⾏： 3*n*t⼀次重叠执⾏ t + 2*n*t⼆次重叠执⾏：2t + n*t流⽔线⽅式的特点：1. 把⼀个任务分解成⼏个有联系的⼦任务，每个⼦仍⽆都是⼀个专门的功能部件来执⾏；多个部件并⾏来缩短时间；2. 每个部件都要有⼀个缓冲寄存器，锁存器，⽤来保存流⽔线执⾏的指令结果；3. 各个功能端尽量时间相等，否则会引起堵塞，断流；4. 同⼀类任务，连续任务5.流⽔线有装⼊时间和排空时间，第⼀个任务进⼊到流⽔线道输出流⽔线的时间，排空时间是最后⼀个任务进⼊到排除流⽔线的时间；根据不同的分类⽅式，流⽔线可以分成如下的不同种类：部件级别流⽔线：算术逻辑运算，例如浮点数加法-> 求阶差，对阶，尾数相加，规格化 4个流程处理器级别的流⽔：取指，译码，执⾏，访存，写回处理间级别的流⽔：宏流⽔，每个处理机都完成⼀个单独的任务，结果存放在下⼀个处理器共享的储存器中按照功能种类分单功能流⽔：只能使⽤⼀种固定专门功能的流⽔线；多功能流⽔：不同连接⽅式可以同时或者不同时实现多种功能的流⽔线；按照各个段之间的连接⽅式动态流⽔线：各段只能同⼀种功能连接⽅式⼯作静态流⽔线：某些段某种运算时，另⼀些段进⾏另⼀种运算按照是否有反馈信号线性流⽔线：从输⼊到输出每个段只允许经过⼀次，不存在反馈回路⾮线性流⽔线：存在反馈回路，某些段数次通过流⽔线，线性递归运算流⽔线性能指标1. 流⽔线吞吐率单位时间内流⽔线完成的任务数量；TP = n/Tk；对于理想的流⽔线时间 Tk=(k+n-1)dT2. 流⽔线的加速⽐不使⽤流⽔线的时间和使⽤流⽔线的时间⽐值S=T0/Tk对于理想的流⽔线作业 S=kn/(k+n-1);3.流⽔线的效率E=n个任务占⽤的时空有效⾯积/n个任务所⽤的时间和k个流⽔段围成时空区总⾯积；影响流⽔线性能的因素1. 多条指令在同⼀时刻真多资源⽽形成的冲突叫做资源冲突2. 相关问题：相邻指令间存在关联，使得流⽔线停顿：2.1 数据冲突（数据冒险）下⼀条指令会⽤到这⼀条指令的结果，数据冒险指令，如果多条指令重叠会出现冲突；1）后续指令暂停⼀到两个时钟周期，硬件阻塞stall软件插⼊NOP⽅法；2）专⽤通路，不写回寄存器直接结果作为输⼊数据，数据旁路技术3）指令编译优化，调整指令顺序2.2 控制冲突（控制冒险）指令在确定下⼀条指令位置，例如发⽣转移调⽤返回等会改变PC值，造成断流1）分⽀预测，今早⽣成转移⽬标地址，静态预测动态预测；2）预取转移成功或者不成功的⽬标指令3）加快提前形成条件码4）提⾼转移⽅向的猜准率cache缺失处理过程也会造成流⽔线阻塞超标量流⽔线1. 超标量流⽔线技术每个时钟周期并发多个独⽴指令，⽤并⾏的操作⽅式将两条或者多条指令编译并执⾏；需要多个功能部件2. 超流⽔线技术在⼀个时钟周期内，⼀个功能部件使⽤多次，不调整执⾏顺序，编译程序解决优化问题3. 超长指令字：挖掘出指令间潜在的并⾏性，多个指令组合成⼀条具有多个操作码字段的超长指令字(多达⼏百位)，需要多个处理部件。
如何利用流水线技术提高程序执行效率(十)
如何利用流水线技术提高程序执行效率随着科技的不断发展，程序执行效率成为了计算机工程师关注的重点。
而流水线技术作为一种能够提高程序执行效率的重要方法，被广泛应用于硬件设计和优化。
本文将介绍流水线技术以及如何利用流水线技术提高程序执行效率。
一、流水线技术的基本原理流水线技术是将任务分解成多个阶段，每个阶段只负责完成特定的子任务，然后将多个子任务串行执行，从而将整个任务加速完成的一种方法。
流水线技术的基本原理是将任务划分为多个子任务，并通过数据流向和控制信号来实现子任务之间的交互与协调。
通过流水线技术，计算机能够同时执行多个任务，从而提高了任务的并行度，加快了程序的执行速度。
二、流水线技术在程序执行效率中的应用1. 数据流水线在计算机中，许多任务都可以用数据流的形式来表示。
数据流水线是指将数据操作分成多个阶段，每个阶段负责特定的数据操作，并通过流水线寄存器将数据传递给下一个阶段进行处理。
通过数据流水线，可以同时进行多个数据操作，从而提高程序的执行效率。
例如，在图像处理任务中，可以将图像数据流水化处理，分成图像输入、图像滤波、图像变换等多个阶段，并通过数据流水线将图像数据传递给不同的阶段进行并行处理，从而加快图像处理的速度。
2. 指令流水线指令流水线是指将程序的执行划分为多个指令阶段，并通过流水线寄存器将指令传递给下一个阶段进行执行。
通过指令流水线，计算机能够同时执行多个指令，从而提高了指令的并行度，加快了程序的执行速度。
例如，在处理器中，可以将指令流水线划分为取指阶段、译码阶段、执行阶段、访存阶段和写回阶段等多个阶段，并通过流水线寄存器将指令传递给不同的阶段进行并行处理，从而加快程序的执行速度。
三、流水线技术在优化程序执行中的挑战然而，尽管流水线技术可以提高程序执行效率，但也面临着一些挑战。
首先，流水线技术对任务的划分和阶段之间的依赖关系有一定的要求，如果任务划分不合理或者阶段之间的依赖关系复杂，会导致流水线的效率降低。
MIPS指令五级流水CPU设计资料
MIPS指令五级流水CPU设计资料1.指令和指令流水线MIPS指令集包含大约50条指令，包括算术/逻辑操作、存储器操作、分支和跳转等。
五级流水线是一种用于加速指令处理的技术，将指令执行过程划分为五个阶段：取指（Instruction Fetch, IF）、译码（Instruction Decode, ID）、执行（Execution, EX）、访存（Memory Access, MEM）和写回（Write Back, WB）。
2.数据通路和控制信号3.流水线冲突在流水线处理器中，常见的冲突有结构冲突、数据冲突和控制冲突。
结构冲突是由于多个指令需要同时访问同一个硬件资源而引起的，例如两个指令同时需要访问寄存器堆。
数据冲突是由于指令之间存在依赖关系而引起的，例如一条指令需要使用前一条指令的结果作为操作数。
控制冲突是由于分支指令的执行导致流水线中的指令不按顺序执行。
4.冲突解决技术为了解决流水线冲突，可以采用以下技术：延迟槽、旁路、分支预测和动态调度。
延迟槽是将分支指令后面的一条指令当作分支指令的一部分，使得分支指令的下一条指令能够在分支决策前执行。
旁路技术用于解决数据冲突，将计算结果旁路给后续指令使用。
分支预测技术用于解决控制冲突，根据过去的分支历史进行预测。
动态调度技术则根据指令的真实执行情况来进行调度，以最大程度地减少冲突。
5.性能优化为了提高CPU的性能，可以采取一些优化技术，例如流水线分段、超标量和超流水线。
流水线分段将指令流水线划分为多个段，使得每个段可以并行工作，提高指令的吞吐量。
超标量技术引入多个功能单元来同时执行多条指令，提高指令的并行度。
超流水线技术则进一步增加流水线的级数，以提高指令的处理速度。
总结：MIPS指令五级流水线CPU是一种高效的处理器设计，它采用五级流水线来加速指令处理，并通过解决流水线冲突来提高指令执行的效率。
该CPU的设计需要考虑数据通路和控制信号，以及解决冲突的技术和性能优化的方法。
关于ARM指令流水线知识
关于ARM指令流水线知识（周方辉）2012/10/22目录1 参考文献 (2)1.1 内部参考文献 (2)1.2 外部参考文献 (2)2 名词解释 (2)3 指令执行三步骤 (2)4 指令流水线（ARM指令） (3)4.1 三级指令流水线 (3)4.2 五级指令流水线 (5)4.3 六级指令流水线 (6)4.4 其它级指令流水线 (6)1参考文献1.1内部参考文献内部参考文献指的是周方辉自生的百度博文中的文件。
无内部参考文献。
1.2外部参考文献外部参考文献指的是相对于上述内部参考文献以外的文件。
无外部参考文献2名词解释CPI：指令周期数，一段时间内走过的指令时钟数除以被执行的指令条数，CPI>=1。
F：Fetch的缩写，取指令的意思，用在分析指令流水线中。
D：Decode，解指令码，用在分析指令流水线中。
E：Execute，执行指令，用在分析指令流水线中。
M：Memory，内存操作。
W：W riteback回写。
S：Stall，拖延clock。
L：Linkret，连接返回。
A：Adjust，调整流水线。
DI：Decode IRQ解析中断指令。
EI：Execute IRQ执行中断指令。
I：Interlock，内部锁状态。
3指令执行三步骤一般计算机指令码与数据码没有区别，存在内存中，都属于二进制数字信息。
指令码和数据码的区别是一般用PC指针从内存中读取的数据为指令码，否则就当数据码处理。
到目前为止，一般计算机执行指令是用CPU部件来执行的，通常分成：1、获取指令，通过PC指针，从内存中获取指令码；2、解析指令，使用CPU内部的指令解码器对指令码进行解析，从而得知指令功能。
3、执行指令，按照解码器得知的功能，CPU调用相应部件来执行该条指令。
三个步骤完成，我们可以抽象理解成，每条指令都通过：取指令模块——>解析指令模块——>执行指令模块，这三个模块。
如下图所示：这三个步骤的协调工作是依靠指令时钟来推动完成的，，指令时钟并不等于CPU的时钟，一个指令时钟可能有几个CPU时钟组成，这看具体的CPU而定。
流水线的级别
流水线的级别按照流水线使用的不同级别，可以把流水线分为功能部件级、处理机级和处理机间级等多种类型。
处理机级流水线又称为指令流水线（Instruction Pipelining）。
它把一条指令的执行过程分解为多个子过程，每个子过程在一个独立的功能部件中完成。
前面介绍的一次重叠执行方式是在设置有先行指令缓冲栈的处理机中采用的一种简单的指令流水线。
在采用先行控制器的处理机中，组成先行控制器的各个部件实际上也构成了一条流水线。
如图5.19所示，在先行控制器中，一条指令的执行过程被分解为5个子过程，每个子过程在一个专用的功能部件中执行。
由于各种指令在同一个功能部件中执行的时间往往相差很大，因此，在每一个流水段之间要设置多个缓冲寄存器，以平滑流水线中各个功能部件的操作在图5.19中，每一个部件内部还可以采用流水线来实现。
例如，对于一些比较复杂的运算操作部件，如浮点加法器、浮点乘法器等，一般要采用多级流水线来实现。
后行写数栈和先行读数栈也可以采用多级流水线来实现。
这种流水线被称为部件级流水线，或功能部件级流水线。
功能部件级流水线也称为运算操作流水线（Arithmetic Pipelining）。
图5.14中的浮点加法器流水线就是一种典型的功能部件级流水线。
后面，还将介绍几种常见的功能部件级流水线。
要提高执行部件执行算术逻辑运算操作的速度，除了在运算操作部件中采用流水线之外，也可以设置多个独立的操作部件，并通过这操作部件的并行工作来提高处理机执行算术逻辑运算的速度。
通常，把指令执行部件中采用了流水线的处理机称为流水线处理机或超流水线处理机，而把指令执行部件中设置有多个操作部件的处理机称为多操作部件处理机和超标量处理机。
处理机间流水线又称为宏流水线（Macro Pipelining）。
这种流水线由两个或两个以上处理机通过存储器串行连接起来，每个处理机对同一个数据流的不同部分分别进行处理。
前一个处理机的输出结果存入存储器中，作为后一个处理机的输入，每个处理机完成整个任务中的一部分。
计算机组成与体系结构——流水线相关知识点（常考计算）
计算机组成与体系结构——流⽔线相关知识点（常考计算） 流⽔线是软考中经常考的⼀部分内容，并且常以要求计算的形式出现，所以，这⾥详细总结⼀下流⽔线的相关知识点。
流⽔线的概念 流⽔线是指在程序执⾏时多条指令重叠进⾏操作的⼀种准并⾏处理实现技术。
即可以同时为多条指令的不同部分进⾏⼯作，以提⾼各部件的利⽤率和指令的平均执⾏速度。
我们都知道，在执⾏⼀条指令的过程中，最少要经历取指分析执⾏三个步骤，也就是说，假设有三个指令1 、2、 3，当我们在正常情况下，在执⾏指令1的时候，会⾸先对指令1按照以上三个步骤进⾏处理，处理完毕后在对指令2进⾏处理，以此类推。
⽽流⽔线的应⽤，就是像我们在⼯⼚中⼀样，当对指令1进⾏分析⼯作时，同时对指令2进⾏取指，继续执⾏，当指令1到达执⾏阶段时，指令2进⼊分析阶段1同时对于指令3进⾏取指处理，这样就⼤⼤增加了对于时间的利⽤率。
流⽔线的计算 1、流⽔线的执⾏时长 ①关于流⽔线的周期，我们需要知道的是，流⽔线周期（△t）为指令执⾏阶段中执⾏时间最长的⼀段。
②流⽔线的计算公式为： 完成⼀条指令所需的时间+（指令条数-1）*流⽔线周期，在这个公式中，⼜存在理论公式和实践公式。
理论公式： 实践公式：（k+n-1）*△t k为⼀条指令所包含的部分的多少 例题：若指令流⽔线⼀条指令分为取指、分析、执⾏三个阶段，并且这三个阶段的时间分别为取指1ns，分析2ns，执⾏1ns，则流⽔线的周期为多少？100条指令全部执⾏完毕需要执⾏的时间是多少？ 分析：上⾯已经说过，流⽔线的周期为花费时间最长的阶段所花费的时间，所以流⽔线的周期就是2ns。
根据理论公式，T=（1+2+1）+（100-1）*2=4+99*2=202ns 根据实践公式，T=（3+100-1）*2=204ns 在这⾥，需要注意的是，因为流⽔线的理论公式和实践公式的结果不⼀样，但是在考试过程中可能都会考到，所以，在应⽤时，先考虑理论公式，后考虑实践公式。
计算机组成原理中的指令流水线与超标量
计算机组成原理中的指令流水线与超标量计算机组成原理是计算机科学中的重要概念之一，它研究了计算机的硬件组成和工作原理。
其中，指令流水线和超标量技术是提高计算机性能的重要手段。
本文将介绍指令流水线和超标量技术的基本原理，并讨论它们在计算机系统中的应用。
一、指令流水线指令流水线是一种将指令执行过程分为多个阶段，并且在每个阶段中同时执行多条指令的技术。
通过将指令执行过程划分为多个独立的阶段，可以使得指令在执行过程中能够重叠进行，从而提高了计算机的运行速度。
指令流水线通常包括取指、译码、执行、访存和写回这五个阶段。
在每个时钟周期中，各个阶段同时执行不同的指令，以提高整个系统的效率。
每个指令在通过流水线的各个阶段时，都经历了不同的处理过程，最终完成指令的执行。
指令流水线的优点在于它可以充分利用计算机资源，提高处理器的性能。
然而，指令流水线技术也存在一些问题，例如流水线冲突和分支预测错误。
流水线冲突指的是由于数据相关性等原因导致指令无法按照顺序执行，而需要等待前一条指令完成。
分支预测错误则是指在程序执行过程中，由于分支指令的条件未知，导致指令流水线中的指令被误判，从而浪费了计算资源。
二、超标量技术超标量技术是指在一个时钟周期内同时发射多条指令，并且在多个功能部件上同时执行这些指令的技术。
相比于指令流水线，超标量技术更进一步地提高了计算机的性能。
超标量技术的核心是多发射和多功能部件。
多发射指的是在一个时钟周期内同时发射多条指令到流水线中。
多功能部件则是指在处理器中使用多个功能部件，以同时执行多条指令，从而提高计算机的性能。
超标量技术的优点在于它可以同时执行多条指令，提高计算机处理的并行性。
通过在一个时钟周期中同时发射多条指令，并在多个功能部件上执行这些指令，可以充分利用计算机资源，提高处理器的性能。
然而，超标量技术也存在一些问题，例如硬件复杂度和资源分配等。
由于需要同时执行多条指令，并且在多个功能部件上执行，因此需要更多的硬件资源来支持。
指令流水线的计算
若指令流水线把一条指令分为取指、分析和执行三部分，且三部分的时间分别是t取指=2ns ，t 分析=2ns，t 执行=1ns。
则100 条指令全部执行完毕需 (4) ns。
(4)A．163 B．183 C．193 D．203 答案：D本类题有两类:第一类是各指令段,有同步时间,即有指令流操作周期.当某指令段执行完毕后,必须等到下一个操作周期来临时,才能执行下一条指令的相同段.第一题与2005年的题就是这样.其计算公式是:(指令所分段数-1)*指令流操作周期 +指令数*指令流操作周期.第二类是各指令段,没有同步时间,每段执行完毕,不需要等待,直接执行下一条执令相同的段.2006的题就是这个.其计算方法是第一条指令执行时间+(指令数-1)*各指令段执行时间中最大的执行时间==========================================================本题为第二类：（2+2+1）+（100-1）*2=203指令流水线的计算1.现有四级指令流水线，分别完成取指、取作的时间依次为数、运算、传送结果四步操作。
若完成上述操9ns、10ns、6ns、8ns。
则流水线的操作周期应设计为（1）n s。
（1）A．6B．8C．9D．10试题解析：取最大的那个微指令时间作为流水线操作周期。
答案：D2.若每一条指令都可以分解为取指、分析和执行三步。
已知取指时间t取指=4△t，分析时间t分析=3△t，执行时间t执行=5△t。
如果按串行方式执行完100条指令需要（2）△t。
如果按照流水方式执行，执行完100条指令需要（3）△t。
（2）A．1190B．1195C．1200D．1205（3）A．504B．507C．508D．510试题解析：串行执行时，总执行时间=100×（t取指+ t分析+ t执行）=100×12△t=1200△t。
连续两条指令的执行时间差为t执行= 5△t，因此100条指令的总执行时间=（t取指+ t分析+ t执行）+99×t执行= 507△t。
单片机指令的并行执行与流水线技术
单片机指令的并行执行与流水线技术单片机（Microcontroller，简称MCU），是一种集成了中央处理器（CPU）、存储器和输入/输出接口等功能于一体的集成电路。
在现代电子设备中，单片机已经得到了广泛的应用。
为了提高单片机的运行效率，人们逐渐引入了并行执行和流水线技术。
本文将探讨单片机指令的并行执行和流水线技术，以及其对系统性能的提升作用。
一、并行执行的概念及优势：1.1 并行执行的基本原理并行执行是指同时执行两条或多条指令的技术，通过同时处理多个指令，可以提高系统的运行效率。
由于单片机的计算能力和存储能力有限，采用并行执行可以有效地利用有限的资源，提高指令执行的速度。
1.2 并行执行的优势（1）提高运算速度：并行执行允许同时处理多个指令，从而减少了指令执行的等待时间，大大提高了程序的运行速度。
（2）提高系统吞吐量：对于一些需要较长时间的操作，通过并行执行可以在运行这些操作过程中同时执行其他指令，从而提高了整个系统的吞吐量。
（3）降低功耗消耗：并行执行可以在同一时间内处理多个指令，从而使得系统在同样的时间内完成更多的任务，减少了系统的工作时间，进而降低了功耗消耗。
二、单片机的流水线技术：2.1 流水线技术的基本原理流水线技术是指将一个任务分成多个子任务，在不同的处理单元中分别执行，通过并行工作提高整个系统的效率。
在单片机中，流水线技术将指令的执行过程划分成多个阶段，每个阶段由不同的处理单元负责执行，实现指令的并行处理。
2.2 流水线技术的特点（1）提高效率：流水线技术将指令执行过程分解成多个阶段，不同阶段可以同时进行，从而提高了整个系统的执行效率。
（2）减少延迟：通过将指令的执行过程划分成多个阶段，可以减少指令执行过程中的等待时间，降低延迟。
（3）增加吞吐量：流水线技术可以同时处理多个指令，从而提高系统的吞吐量，加快数据处理的速度。
三、并行执行与流水线技术的应用案例：3.1 ARM Cortex-M系列处理器ARM Cortex-M系列处理器是一类广泛应用于单片机系统中的处理器，它采用了并行执行和流水线技术，提供了高性能和低功耗的解决方案。
计算机组成原理——指令流水线
计算机组成原理——指令流⽔线
计算机组成原理——指令流⽔线
1. 综述
为提⾼CPU利⽤率，加快执⾏速度，将指令分为若⼲个阶段，可并⾏执⾏不同指令的不同阶段，从⽽多个指令可以同时执⾏。
在有效地控制了流⽔线阻塞的情况下，流⽔线可⼤⼤提⾼指令执⾏速度。
经典的五级流⽔线：取址、译码/读寄存器、执⾏/计算有效地址、访问内存（读或写）、结果写回寄存器。
流⽔线阻塞的情况有三种（）：
1. 结构相关：指令重叠执⾏的过程中，硬件资源满⾜不了指令重叠执⾏的要求，发⽣资源冲突，这时将产⽣结构相关。
解决的办法是增加硬件资源，如解决访存冲突就采⽤指令Cache和数据Cache分离的哈弗结构。
2. 数据相关：当⼀条指令需要前⾯某条指令的执⾏结果，⽽两者正在并⾏执⾏的情况下，将产⽣数据相关。
解决⽅式：数据重定向，或称为旁路技术。
3. 控制相关：有跳转语句、分⽀指令，或其他改变IP值的指令，将产⽣控制相关。
解决⽅法：分⽀预测技术，投机执⾏，延迟分⽀。
若I1和I2数据相关，如I2需要I1的结果，则I2在其译码阶段被阻塞，直到I1全部完成才恢复流动。
第六章 指令流水线
功能段
Ifetch
Reg/Dec
Exec
Mem
°与lw指令相比，少了一个写寄存器的工作。
° 除公共的两个功能段外，其余的是： ° ° Exec功能段：用于在ALU中计算主存地址 Mem功能段：将寄存器读出的数据写到主存
5.Beq指令功能段划分 Beq指令的功能： if(R[Rs]=R[Rt]) then PC PC+4+(SignExt(imm16)×4) else PC PC+4
A
B
C
D
如果让你来管理洗衣店，你会如何安排？
Pipelining: It’s Natural !
Sequential Laundry（串行方式） 6 PM 7 8 9
Time
10
11
Midnight
30 40 20 30 40 20 30 40 20 30 40 20
T a s k O r d e r
流水线中的控制信号
° 在取数/译码（Reg/Dec）阶段产生本指令每个阶段的所有控制信号 • Exec信号 (ExtOp, ALUSrc, ...) 在1个周期后使用 所以，控制信号 • Mem信号 (MemWr, Branch) 在2个周期后使用 也要保存在流水 段寄存器中！ • Wr信号 (MemtoReg, RegWr) 在3个周期后使用
完成 一条指令
5个时间单位
串行执行
流水
5× 4 ＝ 20 个时间单位
8个时间单位
6.1.2 适合流水线的指令集特征
°具有什么特征的指令集有利于流水线执行呢？ • 长度尽量一致，有利于简化取指令和指令译码操作 MIPS指令32位，下址计算方便: PC+4 X86指令从1字节到17字节不等，使取指部件极其复杂 MIPS指令的rs和rt位置一定，在指令译码时就可读rs和rt的值
CPU指令的流水线执行
CPU指令的流⽔线执⾏指令集是CPU体系架构的重要组成部分。
C语⾔的语法是对解决现实问题的运算和流程的⽅法的⾼度概况和抽象，其主要为算术、逻辑运算和分⽀控制，⽽指令集就是对这些抽象的具体⽀持，汇编只不过是为了让开发⼈员更好地记住指令，但它跟CPU所认的机器码其实是⼀⼀对应的，因此汇编也是低级语⾔。
CPU的指令执⾏⼀般包括取指、译码和执⾏，这是经典的三级指令执⾏流⽔线，教科书上往往以这三种过程来描述，arm7也是。
但是现代的CPU设计往往使⽤更⼴泛使⽤的5级流⽔线，也就是分为取指、译码、执⾏、访存和回写。
为什么要分为5级？这是由流⽔线的各个阶段的时间来决定的。
我们可以考虑现实⽣活的⼯⼚的流⽔线。
假设某流⽔线只有三个⼯序，有三个⼯⼈A、B、C，则这条⽣产线的效率就取决于效率最低的那个⼯⼈的效率。
现假设B做完其负责的⼯序需要10秒，⽽A和C完成只需要5秒，总共要完成4个产品。
那总时间应该是：5+10*4+5 = 50秒，（第⼀个5是A先做第⼀道⼯序的时间，这时B和C都得等，⽽最后⼀个5是C必须要等B全部完成后才能开始）即会出现C在等待，⽽B⼀直在忙死忙活的场景。
当然，⽆论怎样，流⽔线的执⾏总⽐完成没有流⽔好，就好⽐A、B、C负责的⼯作都由⼀个⼈去做，那做完⼀个得20秒。
全部做完得20*4 = 80秒。
最理性的场景就是三个⼈做事的效率是⼀样的，那就不会出现等待的情况。
那现在确实遇到B⼯作效率最低的问题，怎么解决呢？就是将B的⼯作重新分解，平均分成两个⼯序，也就是B1和B2，分别都是5秒完成，那完成的总时间是40秒。
CPU指令的三级流⽔执⾏正是遇到各步骤流⽔时间不均的问题，也就是取指和译码往往⽐较快，⽽执⾏包括运算和访问寄存器、内存或者回写等功能，因此执⾏的时间⼀般⽐取指和译码要长，取指和译码可以在单时钟周期内完成，但执⾏需要2到3个时钟周期才能完成。
要想得到更⾼的流⽔效率，就需要将执⾏部分分解为执⾏（运算等）、访存（内存）和回写（寄存器）。
cpu的ipc机制
cpu的ipc机制IPC（Instructions Per Cycle，每周期指令数）是衡量中央处理器性能的一个关键指标。
在计算机系统中，CPU负责执行各种指令，而IPC机制则是为了提高CPU执行指令的效率和速度。
IPC机制主要包括指令流水线、超标量执行和乱序执行等技术。
指令流水线是一种将指令分解为若干个阶段，每个阶段由一种特定的硬件单元负责执行的技术。
通过将多个指令同时投入到流水线中，可以在一个时钟周期内执行多条指令，提高CPU的吞吐量。
其中，常见的流水线阶段包括取指、译码、执行、访存和写回等。
超标量执行是指CPU能够同时执行多条指令，并行地处理这些指令。
通过增加功能单元的数量，同时使用多个执行单元，可以实现多条指令的并行执行。
这样，在同一个时钟周期内，CPU能够完成更多的指令计算工作，提高整体性能。
乱序执行是一种可以提高指令执行效率的技术。
在乱序执行中，CPU通过动态调整指令执行顺序，将不依赖于前一条指令结果的指令提前执行，从而避免了指令之间的数据依赖关系对执行效率的影响。
同时，乱序执行也充分利用了CPU内部资源，提高了指令的执行效率。
除了以上提到的几种主要的IPC机制，还有缓存技术可以进一步提高CPU的性能。
缓存技术可以在CPU核心和主存之间增加一层高速缓存，将经常访问的数据和指令存放在离CPU更近的地方，以提高数据的访问速度。
通过缓存技术，CPU可以减少对主存的读写次数，从而降低数据传输的延迟，提高整体的执行效率。
总结起来，CPU的IPC机制是通过指令流水线、超标量执行和乱序执行等技术来提高CPU的执行效率。
这些技术可以同时执行多条指令、并行地处理计算任务，并优化指令的执行顺序，提高整体性能。
此外，缓存技术也是提高CPU性能的重要手段之一。
通过合理利用IPC 机制和缓存技术，可以使CPU在相同的时钟周期内执行更多指令，提高计算机系统的运行速度和效率。
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第七章指令流水线2. 简单回答下列问题。
（参考答案略）（1）流水线方式下，一条指令的执行时间缩短了还是加长了？程序的执行时间缩短了还是加长了？为什么？（2）具有什么特征的指令集易于实现指令流水线？（3）流水线处理器中时钟周期如何确定？单条流水线处理器的CPI为多少？每个时钟周期一定有一条指令完成吗？为什么？（4）流水线处理器的控制器实现方式更类似于单周期控制器还是多周期控制器？（5）为什么要在各流水段之间加寄存器？各流水段寄存器的宽度是否都一样？为什么？（6）你能列出哪几种流水线被阻塞的情况？你知道硬件和软件是如何处理它们的吗？（7）超流水线和多发射流水线的主要区别是什么？（8）静态多发射流水线和动态多发射流水线的主要区别是什么？（9）为什么说Pentium 4是“CISC壳、RISC核”的体系结构？3. 假定在一个五级流水线（如P.205图7.1所示）处理器中，各主要功能单元的操作时间为：存储单元：200ps；ALU和加法器：150ps；寄存器堆读口或写口：50ps。
若执行阶段EX 所用的ALU操作时间缩短20%，则能否加快流水线执行速度？如果能的话，能加快多少？如果不能的话，为什么？若ALU操作时间增加20%，对流水线的性能有何影响？若ALU 操作时间增加40%，对流水线的性能有何影响？参考答案：a. ALU操作时间缩短20%不能加快流水线指令速度。
因为存储单元的时间为200ps，所以流水线的时钟周期不会因为ALU操作时间的缩短而变短。
b. ALU操作时间延长20%时，变为180ps，比200ps小，对流水线性能没有影响；c. ALU操作时间延长40%时，变为210ps，比200ps大，所以，流水线的时钟周期将变为210，其效率降低了（210-200)/200=5%。
4. 假定某计算机工程师想设计一个新CPU，一个典型程序的核心模块有一百万条指令，每条指令执行时间为100ps。
（1）在非流水线处理器上执行该程序需要花多长时间？（2）若新CPU是一个20级流水线处理器，执行上述同样的程序，理想情况下，它比非流水线处理器快多少？（3）实际流水线并不是理想的，流水段间数据传送会有额外开销。
这些开销是否会影响指令执行时间（Instruction latency）和指令吞吐率（Instruction throughput）？参考答案：（1）非流水线处理器上执行该程序的时间为：100psx106=100µs.（2）若在一个20级流水线的处理器上执行，理想情况下，每个时钟周期为：100/20=5ps，• 156 •所以，程序执行时间为5 x106=5µs. 快100/5=20倍。
（3）流水线段之间数据的传递产生的额外开销，使得一条指令的执行时间被延长，即影响 Instruction latency；同时也拉长了每个流水段的执行时间，即影响 Instruction throughput。
5. 假定最复杂的一条指令所用的组合逻辑分成6块，依次为A~F，其延迟分别为80ps、30ps、60ps、50ps、70ps、10ps。
在这些组合逻辑块之间插入必要的流水段寄存器就可实现相应的指令流水线，寄存器延迟为20ps。
理想情况下，以下各种方式所得到的时钟周期、指令吞吐率和指令执行时间各是多少？应该在哪里插入流水线寄存器？（1）插入一个流水段寄存器，得到一个两级流水线（2）插入两个流水段寄存器，得到一个三级流水线（3）插入三个流水段寄存器，得到一个四级流水线（4）吞吐量最大的流水线参考答案：（1）两级流水线的平衡点在C和D之间，其前面一个流水段的组合逻辑延时为80+30+60=170ps，后面一个流水段的组合逻辑延时为50+70+10=130ps。
这样每个流水段都以最长延时调整为170+20=190ps，故时钟周期为190ps，指令吞吐率为1/190ps=5.26GOPS，每条指令的执行时间为2x190=380ps。
（2）两个流水段寄存器分别插在B和C、D和E之间，这样第一个流水段的组合逻辑延时为80+30=110ps，中间第二段的时延为60+50=110ps，最后一个段延时为70+10=80ps。
这样每个流水段都以最长延时调整为110+20=130ps，故时钟周期为130ps，指令吞吐率为1/130ps=7.69GOPS，每条指令的执行时间为3x130=390ps。
（3）三个流水段寄存器分别插在A和B、C和D、D和E之间，这样第一个流水段的组合逻辑延时为80ps，第二段时延为30+60=90ps，第三段时延为50ps，最后一段延时为70+10=80ps。
这样每个流水段都以最长延时调整为90+20=110ps，故时钟周期为110ps，指令吞吐率为1/110ps=9.09GOPS，每条指令的执行时间为4x110=440ps。
（4）因为所有组合逻辑块中最长延时为80ps，所以，达到最大可能吞吐率的划分应该是以一个流水段延时为80ps+20ps来进行，因此，至少按五段来划分，分别把流水段寄存器插在A和B、B和C、C和D、D和E之间，这样第一段的组合逻辑延时为80ps，第二段为30ps，第三段为60ps，第四段为50ps，最后一段为70+10=80ps。
这样每个流水段都以最长延时调整为80+20=100ps，故时钟周期为100ps，指令吞吐率为1/100ps=10GOPS，每条指令的执行时间为5x100=500ps。
6. 以下指令序列中，哪些指令对发生数据相关？假定采用“取指、译码/取数、执行、访存、写回”五段流水线方式，那么不用“转发”技术的话，需要在发生数据相关的指令前加入• 157 •• 158 •几条nop 指令才能使这段程序避免数据冒险？如果采用“转发”是否可以完全解决数据冒险？不行的话，需要在发生数据相关的指令前加入几条nop 指令才能使这段程序不发生数据冒险？add $s3, $s1, $s0sub $t2, $s0, $s3lw $t1, 0($t2)add $t1, $t1, $t2参考答案：发生数据相关的有：第1和2间关于$s3、第2和3间关于$t2、第2和4间关于$t2、第3和4间关于$t1。
不进行“转发”处理的话，需要分别在第2、3、4条指令前加三条nop 指令才能避免数据冒险。
而通过“转发”可以避免1和2、2和3、2和4间的数据相关；但第3和4间是load-use 数据相关，所以无法用“转发”消除冒险，因此，需在第4条指令前加入一条nop 指令。
7. 在一个采用“取指、译码/取数、执行、访存、写回”的五段流水线中，若检测结果是否为“零”的操作在执行阶段进行，则分支延迟损失时间片（即分支延迟槽）为多少？以下一段指令序列中，哪些指令执行时会发生流水线阻塞？各需要阻塞几个时钟周期？ loop: add $t1, $s3, $s3add $t1, $t1, $t1add $t1, $t1, $s6lw $t0, 0($t1)bne $t0, $s5, Exitadd $s3, $s3, $s4j LoopExit:参考答案：若检测操作在执行阶段进行，则分支延迟损失时间片（即分支延迟槽）为2。
bne 指令执行时会发生流水线阻塞，阻塞2个时钟周期。
j 指令如果在译码阶段就根据译码结果计算跳转目标地址，那么j 指令会阻塞1个时钟周期，若在执行阶段计算，则要阻塞2个时钟周期。
8. 假定有一个程序共1000条指令，其指令序列为“lw, add, lw, add, …”。
add 指令仅依赖它前面的lw 指令，而lw 指令也仅依赖它前面的add 指令。
（1）在带转发的五段流水线中执行该程序，其CPI 为多少？（2）在不带转发的五段流水线中执行该程序，其CPI 为多少？参考答案：（1）因为lw指令和add指令之间存在一个load- use数据冒险，所以每个lw指令和add指令之间要有一次流水线阻塞。
而add指令和lw指令之间的数据冒险可通过数据转发解决。
即：CPI为1.5（2）如果没有转发，而寄存器写口和寄存器读口分别在一个时钟周期的前、后半个周期内工作，则在每条lw指令和add指令之间将会有两个阻塞，这样每条指令相当于都要有三个时钟才能完成。
即：CPI为39. 假定在一个带转发功能的五段流水线中执行以下程序段，则可以怎样调整以下指令序列使其性能达到最好？lw $2, 100($6)add $2, $2, $3lw $3, 200($7)add $6, $4, $7sub $3, $4, $6lw $2, 300($8)beq $2, $8, Loop参考答案：lw $2, 100($6)add $6, $4, $7add $2, $2, $3lw $3, 200($7)lw $2, 300($8)sub $3, $4, $6beq $2, $8, Loop10. 假设数据通路中各主要功能单元的操作时间为：存储单元：200ps；ALU和加法器：100ps；寄存器堆读口或写口：50ps。
程序中指令的组成比例为：取数25%、存数10%、ALU52%、分支11%、跳转2%。
假设时钟周期取存储器存取时间的一半，MUX、控制单元、PC、扩展器和传输线路等的延迟都忽略不计，则下面的实现方式中，哪个更快？快多少？（1）单周期方式：每条指令在一个固定长度的时钟周期内完成；（2）多周期方式：每类指令时钟数：取数-7，存数-6，ALU-5，分支-4，跳转-4；（3）流水线方式：取指1、取指2、取数/译码、执行、存取1、存取2、写回7段流水线；没有结构冒险；数据冒险采用“转发”技术处理；load指令与后续各指令之间存在依赖关系的概率分别1/2、1/4、1/8、…；分支延迟损失时间片为2，预测准确率为75%；不考虑异常、中断和访问失效引起的流水线冒险。
参考答案：单周期：存储器操作变为两个时钟周期后，其数据通路的时钟周期不变，为600ps• 159 •多周期：CPI=0.25x7+0.10x6+0.52x5+0.11x4+0.02x4 = 5.47存储器操作变为两个时钟周期后，多周期数据通路的时钟周期为100ps，故一条指令的执行时间为100x5.47=547ps流水线：存储器操作变为两个时钟周期后，其流水线包含了7个阶段.对于beq，若预测正确，则为1个周期，若预测错误，则为3个周期（与原五段流水线相比，多一个取指周期，多阻塞了1个周期），故CPI=1/4x3+3/4x1=1.5对于load，随后第一条则为3个（阻塞2个）周期；随后第二条则为2个（阻塞1个）周期，以后的指令都不需要阻塞，故CPI=1/2x3+1/2x1/4x2+3/8x1=2.125 对于ALU指令，随后的数据相关指令都可通过转发解决，故CPI=1对于Store指令，不会发生数据冒险，故CPI=1对于Jump指令，总要等到译码结束才能确定转移地址，故CPI=3平均CPI为：2.125x25%+1x10%+1x52%+1.5x11%+3x2%=1.38所以，N条指令的执行时间为1.38x100xN=138N(ps)流水线比单周期快600/138=4.38倍。