浅析流水线冲突及解决方案

指令i+5
指令停顿表
IF
ID
EX
MEM
5、流水线冲突及解决方案
（2）数据冲突
定义：当指令在流水线重叠执行时，因需要 用到前面的执行结果而发生的冲突。
分类：写后读冲突、写后写冲突、读后写冲 突。 解决方案： ①通过定向技术减少数据冲突引起的停顿。 ②设置流水线互锁机制。
5、流水线冲突及解决方案
③依靠编译器解决数据冲突
3、经典5段流水线
（4）存储器访问/分支完成周期（MEM） ①load和store指令 Load指令：用上一周期计算出的有效地址从存储器中读取相 应数据。 Store指令：把指定数据写入此有效地址所指出的存储单元。 ②分支指令 若前一周期判定该分支成功，就把转移目标地址送入PC。 （5）写回周期（WB）：ALU运算指令和load指令在这个周期 会把结果数据写入通用寄存器。
4、指令相关
相关：指两条指令之间存在某种依赖关系。 3种类型：数据相关、名相关、控制相关 （1）数据相关 依次存在两条指令i（在前）和j（在后），若 指令j使用指令i产生的结果或指令j与k数据 相关，而k又与指令i数据相关，则称j与i数 据相关。
4、指令相关
（2）名相关 名：指指令所访问的寄存器或存储单元名称。
流水线冲突有三种类型：结构冲突、数据冲 突、控制冲突。
5、流水线冲突及解决方案
（1）结构冲突 定义：因硬件资源满足不了指令重叠执行的 要求而发生的冲突。 解决方案： a、可以在前一个指令访问存储器时，将流水 线停顿一个时钟，推迟后面取指令的操作。 停顿周期称为“流水线气泡”。 b、在流水线处理机中设置相互独立的指令。 存储器和数据存储器
3、经典5段流水线
IF段 IM ID段 Reg EX段 ALU 流水寄存器 MEM段 DM WB段 Reg
（1）取指令周期（IF）:根据PC指示的地址从存储器 中取出指令并放入指令寄存器IR，同时PC值加4，指 向顺序的下一条指令。 （2）指令译码/读寄存器周期（ID）：对指令进行译 码，并用IR中的寄存器编号去访问通用寄存器组。 （3）执行/有效地址计算周期（EX）：AUL对在上一 周期准备好的操作数进行运算或处理。
5、流水线冲突及解决方案
（3）控制冲突 定义：流水线遇到分支指令和其他会改变PC 值的指令所引起的冲突。 解决方案：最简单的方法是“冻结”或者 “排空”。就是一旦在流水线的译码段ID检 测到分支指令，就暂停执行后的所有指令， 直到分支指令达到MEM段、确定是否成功 并计算出新的pc值为止。
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5、流水线冲突及解决方案
指令编 号 指令i 指令i+1 指令i+2 指令i+3 指令i+4 时钟周期 1 IF 2 ID IF 3 EX ID IF 4 MEM EX ID stall 5 WB MEM EX IF WB MEM ID IF WB EX ID MEM EX WB MEM 6 7 8 9 10
2、流水线的分类
（1）按照流水线完成的功能来分类 ①单功能流水线 ②多功能流水线 （2）按照流水线中是否有反馈回路分类 ①线性流水线 ②非线性流水线
2、流水线的分类
（3）按照任务流入流出的顺序是否相同分类 ①顺序流水线 ②乱序流水线 （4）按照流水线级别分类 ①部件级流水线 ②处理机级流水线 ③处理机 间流水线
名相关：指两条指令使用的名相同，但没有 数据流动，则称它们名相关。
4、指令相关
（3）控制相关
控制相关是指由分支指令引起的相关。它需 要根据分支指令的执行结果来确定后续指 令是否执行。一般说来，为确保程序应有 的执行顺序，必须严格按控制相关确定的 顺序执行
5、流水线冲突及解决方案
流水线冲突：指对于具体的流水线来说，由 于相关的存在，使得指令流中的下一条指 令不能在特定的时钟周期执行。
浅析流水线冲突及解决方案
目录
1、流水线的概念 2、流水线的分类 3、经典的5段流水线 4、指令相关 5、流水线冲突与解决方案
1、流水线的wenku.baidu.com念
流水线：把一个重复的过程分解为若干子过 程，每个子过程由专门的功能部件来实现。 将多个处理过程在时间错开，依次通过各 功能段，每个子过程就可以与其他子过程 并行进行。