影响流水线性能的因素

2024-04-14 18:33:36

（1）互锁

在典型的程序处理过程中，经常会遇到这样的情形，即一条指令的结果被用做下一条指令的操作数，下面通过一个简单的例子说明了在流水线上产生互锁。

有如下指令序列：

LDR r0,[r0,#0]
ADD r0,r0,r1 ；在5级流水线上产生互锁

可以看出，流水线的操作产生中断，因为第一条指令的结果在第二条指令取数时还没有产生。第二条指令必须停止，直到结果产生为止。

（2）跳转指令

跳转指令也会破坏流水线的行为，因为后续指令的取指步骤受到跳转目标计算的影响，因而必须推迟。但是，当跳转指令被译码时，在它被确认是跳转指令之前，后续的取指操作已经发生。这样一来，已经被预取进入流水线的指令不得不被丢弃。如果跳转目标的计算是在ALU阶段完成的，那么，在得到跳转目标之前已经有2条指令按原有指令流读取。

解决的办法是，如果有可能，最好早一些计算转移目标，当然这需要硬件支持。如果转移指令具有固定格式，那么可以在解码阶段预测跳转目标，从而将跳转的执行时间减少到单个周期。但要注意，由于条件跳转与前一条指令的条件码结果有关，在这个流水线中，还会有条件转移的危险。

尽管有些技术可以减少这些流水线问题的影响，但是，不能完全消除这些困难。流水线级数越多，问题就越严重。对于相对简单的处理器，使用3～5级流水线效果最好。

显然，只有当所有指令都依照相似的步骤执行时，流水线的效率达到最高。如果处理器的指令非常复杂，每一条指令的行为都与下一条指令不同，那么就很难用流水线实现。

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