浅析流水线冲突及解决方案

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、流水线的概念流水线：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。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3、经典5段流水线IMRegDMRegALUIF段ID段EX段MEM段WB段流水寄存器（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。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。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。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5、流水线冲突及解决方案指令编号时钟周期12345678910指令iIFIDEXMEMWB指令i+1IFIDEXMEMWB指令i+2IFIDEXMEMWB指令i+3stallIFIDEXMEMWB指令i+4IFIDEXMEM指令i+5IFIDEXMEM指令停顿表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。谢谢大家