在一个5段的流水线处理机上需经9t才能完成一个任务参考课件
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A1（n）＝ A2（n＋1） A1（n）＝ A3（n＋1） 解决办法： 运算结果写到通用寄存器，而不写到主存 对于访问主存储器的请求，写结果的优先级高于读操 作数。
7
分 析 k
执 行 k 分 析 k+1
读 主 存 A1单 元 请 求
结 果 写 主 存 A1单 元 的 请 求
分 析 k+1(推 后 ) 执 行 k+1
如果在处理机中设置有指令先行缓冲栈，则要全部或 部分作废先行指令缓冲栈中的指令。
13
如果转移目标指令L不在先行指令缓冲栈中，则要将先行指令 缓冲栈中的所有指令全部作废，并等待取出转移目标指令L。
如果转移目标指令L在先行指令缓冲栈中，只要作废先行指令 缓冲栈中的部分指令。
无条件转移指令一般对指令执行部件的工作不会造成影响。 为进一步减少无条件转移指令造成的影响，在先行指令缓冲栈
9
通用寄存器堆
通用寄存器堆
多路选择器
多路选择器
相wk.baidu.com专用通路
运算器
锁存器
锁存器
运算器
一种典型的运算器结构
设置专用数据通路解决通用寄存器数据相关
方法二：建立相关专用通路(ByPass) 由于发生寄存器数据相关的情况很普遍，一般计算机
系统都采用专用数据通路。 把读通用寄存器、执行操作和写结果分为3个周期，
则发生LOAD数据相关。 • 解决方法：
11
K：
ADD读R1开始 LOAD写R1完成
IF
ID
EX
WR
K+1：
IF
ID
EX
WR
IF：取指令，ID指令译码，EX：执行，WR：写回结果
方法一：由编译器在LOAD之后插入不发生数据相 关的指令，由于LOAD的执行时间不确定，不能 根本解决问题
方法二：由硬件自动插入空操作，直到LOAD操作 完成
中执行完成。
5
解决指令相关的根本办法是： 在程序执行过程中不允许修改指令。
现代程序设计方法要求程序具有再入性，可以被递归 调用等，也要求不修改指令。
在IBM370系列机中，用“执行指令”来解决：在程序 执行过程中既能够修改指令，程序又具有再入性。
0
7 8 1 1 1 2 1 5 1 6 1 9 2 0
在单条流水线处理机中，也可以停止节拍发生器， 直到数据从存储器中读出为止。
12
5.3.2 控制相关
因程序的执行方向可能被改变而引起的相关，也称为 全局相关。
主要包括：无条件转移、一般条件转移、复合条件转 移、中断等。
1. 无条件转移
在流水线处理机中，无条件转移指令不进入执行流水 段，一般在指令译码阶段就实际执行完成。
E X （ 执 行 ） R 1 X 2 B 2
D 2
3 1
“执行指令”执行由第二地址((X2)+(B2)+D2)决定的 主存数据区中的指令。
6
2.主存操作数相关
发生主存操作数相关的指令序列： n：OP A1，A2，A3 ；A1＝(A2) OP (A3)
n+1：OP A1，A2，A3 ；A1＝(A2) OP (A3) 出现下列情况之一，就发生主存操作数相关：
的入口处增设一个专门处理无条件转移指令的指令分析器 P270
8
解决通用寄存器数据相关的方法： 方法一：把读操作数、写运算结果与指令执行合在一
个节拍。 从数据从通用寄存器读出，在运算器中完成运算， 结果写回通用寄存器的整个回路中，只有通用寄存 器是时序逻辑。在通用寄存器到运算器之间建立直 接数据通路，即不设置缓冲寄存器或锁存器，则不 会发生通用寄存器数据相关。 这种情况下，实际上不需要分析周期，在一个节拍 中就可以完成从通用寄存器中通过两个多路选择器 分别读操作数到通用寄存器。
存 储 控 制 器 的 排 队 器 先 响 应 写 主 存 请 求 时 间 t
3. 通用寄存器数据相关
发生寄存器数据相关的可能性很大，影响面也很
大
n：OP R1，A2 ；R1＝(R1) OP (A2) n+1：OP R1，R2 ；R1＝(R1) OP (R2) 发生R1(n)＝R1(n＋1)称为R1数据相关。 发生R1(n)＝R2(n＋1)称为R2数据相关。
控制相关：由条件分支指令、转子程序指令、中断等引起的相 关。
解决数据相关的方法有两种： 推后处理 设置专用路径。
3
1.指令相关
发生指令相关的情况： n： STORE R1, n+1 n+1： …… 满足关系： 结果地址(n)＝指令地址(n+1)
当第n条指令还没有把执行结果写到主存之前，取出 的第n+1条指令显然是错误的。
1
5.3 相关性分析技术
5.3.1 数据相关 5.3.2 控制相关 5.3.3 条件分支对流水线的影响 5.3.4 静态分支预测技术 5.3.5 动态分支预测技术 5.3.6 提前形成条件码 5.3.7 精确断点与不精确断点
2
5.3.1 数据相关
数据相关：在执行本条指令的过程中，如果用到的指令、操作 数、变址量等是前面指令的执行结果，这种相关称为数据 相关。
在一个5段的流水线处理机上需经9t才能完成一个任务， 各段执行时间均为t，任务处理过程对各段使用时间的 预约表如下：
时间 功能段
1
2
3
4
5
6
7
8
9
S1
X
X
S2
XX
S3
X
XX
S4
XX
S5
XX
画出流水线的状态图，并由状态图得出流水线的最优 调度策略和最大吞吐率。
按最优调度策略输入6个任务，求流水线的实际吞吐率、 加速比和效率。
在k个流水段的流水线处理机中，第n条指令要修改从 第n+1到第n+ k 指令中的任意一条指令，都可能造 成程序执行结果发生错误。
4
在采用先行控制方式的处理机中，如果执行部件正在 执行第n条指令，与下述情况之一发生相关，都可 能造成程序执行结果发生错误。
存放在先行操作栈中的指令 正在指令分析器中分析的指令 已经预取到先行指令缓冲栈中的指令 指令执行结果还在后行缓冲栈中的指令 更严重的是：有些分支指令，可能已经在指令分析器
或2个周期。 采用专用数据通路能够缩短1至2个周期。
10
变址相关：在采用变址寻址方式的处理机中，由于变 址量放在寄存器中，因此，可能发生与通用寄存器 数据相关类似变址相关
4. LOAD相关
• LOAD操作的执行时间可能比较长 n： LOAD R1， A ；R1＝(A)
n+1： ADD R1， R2 ；R1＝(R1) OP (R2) • 如果 R1(n)＝R2(n＋1)，或 R1(n)＝R1(n＋1)，
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分 析 k
执 行 k 分 析 k+1
读 主 存 A1单 元 请 求
结 果 写 主 存 A1单 元 的 请 求
分 析 k+1(推 后 ) 执 行 k+1
如果在处理机中设置有指令先行缓冲栈，则要全部或 部分作废先行指令缓冲栈中的指令。
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如果转移目标指令L不在先行指令缓冲栈中，则要将先行指令 缓冲栈中的所有指令全部作废，并等待取出转移目标指令L。
如果转移目标指令L在先行指令缓冲栈中，只要作废先行指令 缓冲栈中的部分指令。
无条件转移指令一般对指令执行部件的工作不会造成影响。 为进一步减少无条件转移指令造成的影响，在先行指令缓冲栈
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通用寄存器堆
通用寄存器堆
多路选择器
多路选择器
相wk.baidu.com专用通路
运算器
锁存器
锁存器
运算器
一种典型的运算器结构
设置专用数据通路解决通用寄存器数据相关
方法二：建立相关专用通路(ByPass) 由于发生寄存器数据相关的情况很普遍，一般计算机
系统都采用专用数据通路。 把读通用寄存器、执行操作和写结果分为3个周期，
则发生LOAD数据相关。 • 解决方法：
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K：
ADD读R1开始 LOAD写R1完成
IF
ID
EX
WR
K+1：
IF
ID
EX
WR
IF：取指令，ID指令译码，EX：执行，WR：写回结果
方法一：由编译器在LOAD之后插入不发生数据相 关的指令，由于LOAD的执行时间不确定，不能 根本解决问题
方法二：由硬件自动插入空操作，直到LOAD操作 完成
中执行完成。
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解决指令相关的根本办法是： 在程序执行过程中不允许修改指令。
现代程序设计方法要求程序具有再入性，可以被递归 调用等，也要求不修改指令。
在IBM370系列机中，用“执行指令”来解决：在程序 执行过程中既能够修改指令，程序又具有再入性。
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7 8 1 1 1 2 1 5 1 6 1 9 2 0
在单条流水线处理机中，也可以停止节拍发生器， 直到数据从存储器中读出为止。
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5.3.2 控制相关
因程序的执行方向可能被改变而引起的相关，也称为 全局相关。
主要包括：无条件转移、一般条件转移、复合条件转 移、中断等。
1. 无条件转移
在流水线处理机中，无条件转移指令不进入执行流水 段，一般在指令译码阶段就实际执行完成。
E X （ 执 行 ） R 1 X 2 B 2
D 2
3 1
“执行指令”执行由第二地址((X2)+(B2)+D2)决定的 主存数据区中的指令。
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2.主存操作数相关
发生主存操作数相关的指令序列： n：OP A1，A2，A3 ；A1＝(A2) OP (A3)
n+1：OP A1，A2，A3 ；A1＝(A2) OP (A3) 出现下列情况之一，就发生主存操作数相关：
的入口处增设一个专门处理无条件转移指令的指令分析器 P270
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解决通用寄存器数据相关的方法： 方法一：把读操作数、写运算结果与指令执行合在一
个节拍。 从数据从通用寄存器读出，在运算器中完成运算， 结果写回通用寄存器的整个回路中，只有通用寄存 器是时序逻辑。在通用寄存器到运算器之间建立直 接数据通路，即不设置缓冲寄存器或锁存器，则不 会发生通用寄存器数据相关。 这种情况下，实际上不需要分析周期，在一个节拍 中就可以完成从通用寄存器中通过两个多路选择器 分别读操作数到通用寄存器。
存 储 控 制 器 的 排 队 器 先 响 应 写 主 存 请 求 时 间 t
3. 通用寄存器数据相关
发生寄存器数据相关的可能性很大，影响面也很
大
n：OP R1，A2 ；R1＝(R1) OP (A2) n+1：OP R1，R2 ；R1＝(R1) OP (R2) 发生R1(n)＝R1(n＋1)称为R1数据相关。 发生R1(n)＝R2(n＋1)称为R2数据相关。
控制相关：由条件分支指令、转子程序指令、中断等引起的相 关。
解决数据相关的方法有两种： 推后处理 设置专用路径。
3
1.指令相关
发生指令相关的情况： n： STORE R1, n+1 n+1： …… 满足关系： 结果地址(n)＝指令地址(n+1)
当第n条指令还没有把执行结果写到主存之前，取出 的第n+1条指令显然是错误的。
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5.3 相关性分析技术
5.3.1 数据相关 5.3.2 控制相关 5.3.3 条件分支对流水线的影响 5.3.4 静态分支预测技术 5.3.5 动态分支预测技术 5.3.6 提前形成条件码 5.3.7 精确断点与不精确断点
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5.3.1 数据相关
数据相关：在执行本条指令的过程中，如果用到的指令、操作 数、变址量等是前面指令的执行结果，这种相关称为数据 相关。
在一个5段的流水线处理机上需经9t才能完成一个任务， 各段执行时间均为t，任务处理过程对各段使用时间的 预约表如下：
时间 功能段
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S1
X
X
S2
XX
S3
X
XX
S4
XX
S5
XX
画出流水线的状态图，并由状态图得出流水线的最优 调度策略和最大吞吐率。
按最优调度策略输入6个任务，求流水线的实际吞吐率、 加速比和效率。
在k个流水段的流水线处理机中，第n条指令要修改从 第n+1到第n+ k 指令中的任意一条指令，都可能造 成程序执行结果发生错误。
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在采用先行控制方式的处理机中，如果执行部件正在 执行第n条指令，与下述情况之一发生相关，都可 能造成程序执行结果发生错误。
存放在先行操作栈中的指令 正在指令分析器中分析的指令 已经预取到先行指令缓冲栈中的指令 指令执行结果还在后行缓冲栈中的指令 更严重的是：有些分支指令，可能已经在指令分析器
或2个周期。 采用专用数据通路能够缩短1至2个周期。
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变址相关：在采用变址寻址方式的处理机中，由于变 址量放在寄存器中，因此，可能发生与通用寄存器 数据相关类似变址相关
4. LOAD相关
• LOAD操作的执行时间可能比较长 n： LOAD R1， A ；R1＝(A)
n+1： ADD R1， R2 ；R1＝(R1) OP (R2) • 如果 R1(n)＝R2(n＋1)，或 R1(n)＝R1(n＋1)，