计算机组成原理笔记--简单五级流水线设计与性能

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前言
五级流水线
冒险/冲突（Hazards/Conflict）
控制单元
模块调度

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前言

上一章单周期设计与多周期设计一章中提到了两种微架构模型。这一章主要会讲解基本流水线的工作原理，控制电路的形式以及功能模块的调度。

在开始这一章之前有必要复习一下计算机性能的指标。指标很简单：对应程序的长度除以执行所花的时间。这里程序的长度定义不是很明确，所以我们通常不会直接使用这个公式。事实上，我们会找一个基准机器和基准程序作为参考，让新机器也运行这个基准程序以获得新机器的执行时间，把这两者之比作为相对指标。这种方法能比较准确的反映出机器的实际性能，但是不适合引导我们进行设计，因为我们至少先得把样机/模拟器做出之后才能做这个测试。通常我们使用Instruction Per Cycle（IPC）来近似表现机器的理想工作性能。

五级流水线

在上一章的末尾的多周期设计中，我们发现了最长一条指令是由5个不一样的小任务顺序执行得来的。这几个任务的名字分别是：取指，译码，计算，访存，写回。在理想状态下，任何两条指令都是独立的互不影响的，可以发现这五个步骤刚好也是互不相关的。这样一来，我们没有必要让一条指令占用所有的功能单元，反而可以让5条不同的指令分别占用所需要的模块以达到加速的效果。

这里有一个误区：在五级流水线里，每条指令都会执行5个周期，而多周期机器里却只有最长的指令才执行5个周期，这样岂不是更慢？我们考虑指令n结束到指令n+1结束的时间，可以发现多周期机器至少花3周期，而流水线机器只用了一个周期。

当然这里的时钟周期就是最长任务花费的时间。

冒险/冲突（Hazards/Conflict）

在实际的程序中，指令是不可能完全不相关的比如：

跳转指令前后的指令
利用共同数据的指令
利用共同结构的指令。

这三种情况分别对应：

控制冲突 (Control Hazards/Conflict)
数据冲突 (Data Hazards/Conflict)
结构冲突 (Structrual Hazards/Conflict)

这三种情况的出现直接导致了指令不能一定一个接一个地存在在流水线里。后面的所有章节都是来减小这三种问题带来的影响。

控制单元

流水线与多周期设计里面有一个很大的不同：流水线里指令间的距离是空间上的，而多周期设计里的是时间上的。换句话说，流水线的控制信号是每隔一级就会发生变化（空间上），而多周期的控制信号是每隔一段时间就会变化（时间上）。

可以发现流水线每一级都会产生控制信号。有一个比较巧妙的做法就是将所有与指令操作有关的信号都在译码的时候生成，只向下一级传递还没有用过的信号。

除了控制操作的信号以外，由于流水线中存在各种冲突，控制指令流动的信号也需要产生。这需要一个能跨过不同级检查冲突的逻辑电路，他会去控制流水线寄存器中数据的行为：暂停 (Stall)，冲刷 (Flush)还是正常流动

模块调度

除了刚才讲的全局控制电路会跨模块，还有一些电路也会跨越不同流水线级（Stage）比如：

寄存器堆 (Register File)
内存 (memory)

在这里我们就会看到 Structural Hazard 了。
寄存器堆会在译码级读，写回级写。内存会在取指级读，访存级读写。

Name of module	IF	ID	EX	MEM	WB
Register File	-	R	-	-	W
Data Memory	R	-	-	W/R	-

可以发现，对内存的访问会与指令的读取发生冲突。除了可以让取指暂停，优先访存这种解决方法以外，还可以复制一份端口/内存增加内存模块的吞吐量以达到要求。