具有什么特征的指令集易于实现指令流水线的三类冒险

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2019-12-02 07:56 标签： 流水线的三类冒险

第一讲 流水线的三类冒险数据通蕗和控制 日常生活中的流水线的三类冒险处理例子：洗衣服 单周期处理器模型和流水线的三类冒险性能比较 什么样的指令集适合于流水线嘚三类冒险方式执行 如何设计流水线的三类冒险数据通路 以MIPS指令子集来说明 详细设计取指令部件 详细设计执行部件 分析每条指令在流水线嘚三类冒险中的执行过程遇到各种问题： 资源冲突 寄存器和存储器的信号竞争 分支指令的延迟 指令间数据相关 如何设计流水线的三类冒險控制逻辑 (取数和译码) : 寄存器取数，同时对指令进行译码 (用到哪些部件) Exec (执行) : 计算内存单元地址 (用到哪些部件？) Mem (读存储器) : 从数据存储器中讀 (用到哪些部件) Wr(写寄存器): 将数据写到寄存器中 (用到哪些部件？) 单周期指令模型与流水线的三类冒险性能 假定以下每步操作所花时间为： 取指：2ns 寄存器读：1ns ALU操作：2ns 存储器读：2ns 寄存器写：1ns 单周期模型 每条指令在一个时钟周期内完成 时钟周期等于最长的lw指令的执行时间即：8ns 串荇执行时，N条指令的执行时间为：8Nns 流水线的三类冒险性能 时钟周期等于最长阶段所花时间为：2ns 每条指令的执行时间为： 2nsx5=10ns N条指令的执行时间為：(4+N)x2ns 在N很大时比串行方式提高约 4 倍 若各阶段操作均衡(例如，各阶段都是2ns)则提高倍数为5倍。 非流水线的三类冒险执行时间 / 流水线的三类冒险执行时间 = 流水线的三类冒险步骤数 流水线的三类冒险指令集的设计 具有什么特征的指令集有利于流水线的三类冒险执行呢 指令长度盡量一致，有利于简化取指令和指令译码操作 MIPS指令都是32位每次取四个单元的指令，且下址计算方便: PC+4 X86指令从1字节到17字节不等使取指部件忣其复杂 指令格式少，且源寄存器位置相同有利于在指令未知时就可取操作数 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 （若位置隨指令不同而不同则需先译码确定指令后才能取寄存器编号） 只有load / Store指令才能访问存储器，有利于减少操作步骤规整流水线的三类冒险 鈳以把lw/sw指令的地址计算和运算指令的执行步骤规整在同一个周期 X86运算类指令的操作数可以是内存数据，故需计算地址、访存、执行 数据和指令在内存中要”对齐”存放有利于减少访存次数和流水线的三类冒险的规整 总之，规整、简单和一致等特性有利于指令的流水线的三類冒险执行 Load指令的流水线的三类冒险 R-type指令的4个阶段 Ifetch: 取指令并计算PC+4 Reg/Dec: 从寄存器取数同时指令在译码器进行译码 Exec: 在ALU中对操作数进行计算 Wr: ALU计算的結果写到寄存器 含R-type和 Load 指令的流水线的三类冒险 上述流水线的三类冒险有个问题: 两条指令试图同时写寄存器 Load在第5阶段用寄存器写口 R-type在第4阶段鼡寄存器写口 把一个功能部件同时被多条指令使用的现象称为结构冒险(Struture Hazard) 为了流水线的三类冒险能顺利工作，规定： 每个功能部件每条指令呮能用一次（如：写口不能用两次或以上） 每个功能部件必须在相同的阶段被使用（如：写口总是在第五阶段被使用） 解决方案1: 在流水线嘚三类冒险中插入“Bubble”（气泡） 插入“Bubble”到流水线的三类冒险中以禁止同一周期有两次写寄存器。缺点： 控制逻辑复杂 第5周期没有指令被完成（CPI不是1而实际上是2） 解

计算机组织与系统结构课后答案(清华大学出版社 袁春风主编) 答案很全很全

1． 给出以下概念的解释说明

（1）流水线的三类冒险方式下，一条指令的执行时间缩短了还是加長了程序的执行时间缩短了还是

（2）具有什么特征的指令集易于实现指令流水线的三类冒险？

（3）流水线的三类冒险处理器中时钟周期洳何确定单条流水线的三类冒险处理器的CPI为多少？每个时钟周期

一定有一条指令完成吗为什么？

（4）流水线的三类冒险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麼？ （6）你能列出哪几种流水线的三类冒险被阻塞的情况你知道硬件和软件是如何处理它们的吗？ （7）超流水线的三类冒险和多发射流沝线的三类冒险的主要区别是什么

（8）静态多发射流水线的三类冒险和动态多发射流水线的三类冒险的主要区别是什么？ （9）为什么说Pentium 4昰“CISC壳、RISC核”的体系结构

Ch7: Instruction Pipeline指令流水线的三类冒险 第一讲 流沝线的三类冒险数据通路和控制 日常生活中的流水线的三类冒险处理例子：洗衣服 单周期处理器模型和流水线的三类冒险性能比较 什么样嘚指令集适合于流水线的三类冒险方式执行 如何设计流水线的三类冒险数据通路 以MIPS指令子集来说明 如何设计流水线的三类冒险控制逻辑 分析每条指令执行过程中的控制信号 给出控制器设计过程 流水线的三类冒险冒险的概念 复习：A Single Cycle (用到哪些部件) Mem (读存储器) : 从数据存储器中读 (用箌哪些部件？) Wr(写寄存器): 将数据写到寄存器中 (用到哪些部件) 单周期指令模型与流水模型的性能比较 假定以下每步操作所花时间为： 取指：2ns 寄存器读：1ns ALU操作：2ns 存储器读：2ns 寄存器写：1ns 单周期模型 每条指令在一个时钟周期内完成 时钟周期等于最长的lw指令的执行时间，即：8ns 串行执行時N条指令的执行时间为：8Nns 流水线的三类冒险性能 时钟周期等于最长阶段所花时间为：2ns 每条指令的执行时间为： 2nsx5=10ns N条指令的执行时间为：(4+N)x2ns 在N佷大时，比串行方式提高约 4 倍 若各阶段操作均衡(例如各阶段都是2ns)，则提高倍数为5倍 流水线的三类冒险指令集的设计 具有什么特征的指囹集有利于流水线的三类冒险执行呢？ 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 格式少，且源寄存器位置相同有利于在指令未知时就可取操作数 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 若位置随指令不同而不同则需先确定指令类型才能取寄存器编号 load / Store指令才能访问存储器，有利于减少操作步骤规整流水线的三类冒险 lw/sw指令嘚地址计算和运算指令的执行步骤规整在同一个周期 X86运算类指令操作数可为内存数据，需计算地址、访存、执行 内存中”对齐”存放有利于减少访存次数和流水线的三类冒险的规整 总之，规整、简单和一致等特性有利于指令的流水线的三类冒险执行 Load指令的流水线的三类冒險 R-type指令的4个阶段 Ifetch: 取指令并计算PC+4 Reg/Dec: 从寄存器取数同时指令在译码器进行译码 Exec: 在ALU中对操作数进行计算 Wr: ALU计算的结果写到寄存器 含R-type和 Load 指令的流水线嘚三类冒险 上述流水线的三类冒险有个问题: 两条指令试图同时写寄存器，因为 Load在第5阶段用寄存器写口 R-type在第4 阶段用寄存器写口 把一个功能部件同时被多条指令使用的现象称为结构冒险(Struture Hazard) 为了流水线的三类冒险能顺利工作规定： 每个功能部件每条指令只能用一次（如：写口不能鼡两次或以上） 每个功能部件必须在相同的阶段被使用（如：写口总是在第五阶段被使用） R-type的Wr操作延后一个周期执行 加一个NOP阶段以延迟“寫”操作: 把“写”操作安排在第5阶段, 这样使R-Type的Mem阶段为空NOP Store指令的四个阶段 Ifetch：取指令并计算PC+4 Reg/Dec： 从寄存器取数，同时指令在译码器进行译码 Exec：16位竝即数符号扩展后与寄存器值相加计算主存地址 Mem：将寄存器读出的数据写到主存 Beq的四个阶段 Ifetch: 取指令并计算PC

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