計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》電子教案

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1、2014.2.17 計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) 結(jié) 構(gòu) 1 3.4 RISC的 基 本 流 水 線 (P70) IM Reg ALU DM Reg IF段 ID段 EX段 MEM段 WB段 流 水 寄 存 器 下 面 是 RISC的 指 令 流 水 線 簡 化 結(jié) 構(gòu) 圖 （ 5段 結(jié) 構(gòu) ） ， 每 段 1個(gè) 時(shí) 鐘 周 期 。 2014.2.17 計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) 結(jié) 構(gòu) 2 (1)流 水 運(yùn) 行 方 式RISC流 水 線 5段 功 能 的 初 步 定 義 （ 時(shí) 鐘 周 期 圖 Cycle）IF ID EX Mem WBIF ID EX Mem WB指 令 K指 令 K+1取 指PC+4 譯

2、碼取 數(shù) 計(jì) 算判 斷 訪 存送 PC 寫 回(2)順 序 運(yùn) 行 方 式IF ID EX Mem WB IF ID EX Mem WB指 令 K指 令 K+1取 指 譯 碼取 數(shù) 計(jì) 算判 斷 訪 存送 PC 寫 回 2014.2.17 計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) 結(jié) 構(gòu) 3 RISC流 水 線 5段 功 能 的 初 步 定 義 補(bǔ) 充 表 3.1 各 類 指 令 在 RISC流 水 線 各 段 的 操 作 流 水 段 （ 周 期 ） ALU指 令 LOAD/STORE 指 令 分 支 指 令 IF（ 取 指 ） 取 指 ， PC+4 同 左 同 左 ID（ 譯 碼 ） 譯 碼 ， 取 寄 存 器

3、操 作 數(shù) 同 左 （ STORE取 數(shù) ） 同 左 （ 如 果 有 數(shù) 據(jù) ） EX（ 執(zhí) 行 ） 計(jì) 算 操 作 數(shù) 計(jì) 算 有 效 地 址 計(jì) 算 目 標(biāo) 地 址 ， 判 斷 條 件 MEM（ 訪 存 ） 無 操 作 讀 / 寫 存 儲 器 如 果 條 件 “ 真 ” ， 目 標(biāo) 地 址 送 PC WB（ 寫 回 ） 計(jì) 算 結(jié) 果 送 寄 存 器 LOAD結(jié) 果 送 寄 存 器 無 操 作 2014.2.17 計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) 結(jié) 構(gòu) 4 為 了 簡 單 ， 先 考 慮 順 序 處 理 方 式 下 的 工 作 過 程 （ 即 不 考 慮 并 行 處 理 多 條 指令 ） ：(1) I

4、F 取 指 周 期 （ 后 來 稱 IM）(2) ID 指 令 譯 碼 /讀 寄 存 器 周 期(3) EX 執(zhí) 行 /地 址 計(jì) 算 周 期 做 4種 操 作 之 一 ： 存 儲 器 地 址 計(jì) 算 、 寄 存 器 /寄 存 器 ALU運(yùn) 算 、 寄 存 器 /立即 數(shù) ALU運(yùn) 算 、 分 支 地 址 計(jì) 算 與 條 件 判 斷 。(4) MEM 存 儲 器 訪 問 /分 支 完 成 周 期 （ ALU指 令 不 需 要 ） （ 后 來 稱 DM） 做 2種 操 作 之 一 ： 存 儲 器 訪 問 、 根 據(jù) 分 支 條 件 對 PC賦 值 。(5) WB 寫 回 寄 存 器 周 期 （

5、分 支 指 令 不 需 要 ） 做 2種 操 作 之 一 ： ALU結(jié) 果 寫 寄 存 器 、 LOAD結(jié) 果 寫 寄 存 器 。 總 周 期 數(shù) = n CPI（ ALU和 分 支 指 令 的 CPI=4， 其 它 指 令 的 CPI=5） 3.4.1 用 順 序 方 式 實(shí) 現(xiàn) RISC詳 解 2014.2.17 計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) 結(jié) 構(gòu) 5 按 流 水 方 式 運(yùn) 行 需 要 解 決 的 問 題 ： 存 儲 周 期 每 個(gè) 時(shí) 鐘 周 期 都 至 少 訪 問 一 次 存 儲 器 ， 所 以 存 儲 器 件 的訪 問 周 期 必 須 縮 短 為 順 序 方 式 的 1/5（ 流 水 線

6、必 須 配 用 高 速 存 儲 系 統(tǒng) ） 。 沖 突 前 面 指 令 在 MEM修 改 PC與 后 面 指 令 在 IF做 PC+4發(fā) 生 PC沖突 ； 前 面 指 令 在 MEM訪 存 與 后 面 指 令 在 IF取 指 發(fā) 生 存 儲 器 沖 突 ； 前 面指 令 在 WB寫 寄 存 器 與 后 面 指 令 在 ID讀 寄 存 器 發(fā) 生 寄 存 器 沖 突 。 （ 下 頁 圖 ） 對 策 用 多 路 器 選 擇 PC+4送 PC， 還 是 ALUout送 PC； IF改 成 訪問 指 令 存 儲 器 IM， MEM改 成 訪 問 數(shù) 據(jù) 存 儲 器 DM， 以 避 免 存 儲 器 沖

7、突 ； 或 者雖 共 用 一 個(gè) 存 儲 器 ， 但 是 分 別 連 到 指 令 Cache、 數(shù) 據(jù) Cache； 寄 存 器 沖 突 留待 下 文 解 決 。 寄 存 器 文 件 每 條 指 令 啟 動 后 就 被 分 配 一 組 暫 存 器 ， 稱 為 “ 寄 存 器 文件 ” ， 用 以 保 存 自 己 的 臨 時(shí) 數(shù) 據(jù) ， 如 NPC、 IR等 ， 它 們 伴 隨 指 令 逐 段 推 進(jìn) ，直 至 指 令 結(jié) 束 。 在 沒 有 操 作 的 段 ， 寄 存 器 文 件 被 直 接 拷 貝 到 下 一 段 。 （ P119） 總 周 期 數(shù) = n + m 1 + stall總 數(shù)

8、（ 無 相 關(guān) 、 無 沖 突 情 況 下 ） 3.5 基 本 的 MIPS流 水 線 （ P87） 2014.2.17 計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) 結(jié) 構(gòu) 6 (1)3種 沖 突流 水 方 式 運(yùn) 行 帶 來 的 結(jié) 構(gòu) 沖 突IF ID EX Mem WBIF ID EX Mem WB指 令 K指 令 K+1 譯 碼取 數(shù)訪 存送 PC 寫 回(2)存 儲 器 哈 佛 結(jié) 構(gòu) 、 分 離 Cache結(jié) 構(gòu)CPU指 令 K+3 指 令 K IF ID EX Mem WB指 令 K+2 IF ID EX Mem WB指 令 K+3 取 指PC+4指 令 存 儲 器數(shù) 據(jù) 存 儲 器 CPU 指 令 C

9、ache數(shù) 據(jù) Cache 內(nèi) 存 2014.2.17 計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) 結(jié) 構(gòu) 7 3.5.1 MIPS的 一 種 簡 單 實(shí) 現(xiàn) 2014.2.17 計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) 結(jié) 構(gòu) 8 3.4.2 相 關(guān) 與 沖 突 (P72) 相 關(guān) dependence ： 一 條 指 令 依 賴 另 一 條 指 令 的 結(jié) 果 。 沖 突 hazard ： 由 于 相 關(guān) 或 其 它 原 因 ， 一 條 指 令 暫 時(shí) 停 下 來 等 待 另 一 條指 令 執(zhí) 行 ， 不 然 就 會 產(chǎn) 生 錯(cuò) 誤 的 結(jié) 果 （ 與 程 序 員 預(yù) 期 的 不 一 致 ） 。 相 關(guān) 的 分 類1. 數(shù) 據(jù) 相 關(guān)

10、 ： 前 面 指 令 的 結(jié) 果 作 為 后 面 指 令 的 操 作 數(shù) （ 真 數(shù) 據(jù) 相 關(guān) ）2. 名 相 關(guān) ： 兩 條 指 令 使 用 了 同 一 個(gè) 寄 存 器 或 存 儲 單 元 ， 并 非 要 傳 送 數(shù) 據(jù)3. 控 制 相 關(guān) ： 分 支 指 令 等 改 變 PC值 的 情 況 反 相 關(guān) 名 相 關(guān) 輸 出 相 關(guān) 沖 突 的 分 類1. 結(jié) 構(gòu) 沖 突 ： 即 資 源 爭 用 寫 后 讀 ： RAW2. 數(shù) 據(jù) 沖 突 ： 由 數(shù) 據(jù) 相 關(guān) 、 或 者 名 相 關(guān) 造 成 寫 后 寫 ： WAW3. 控 制 沖 突 ： 由 控 制 相 關(guān) 造 成 讀 后 寫 ： WAR

11、 實(shí) 例 ： P73 P83； 多 種 相 關(guān) 、 沖 突 演 示 程 序 Lesson-5.s 2014.2.17 計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) 結(jié) 構(gòu) 9 3種 相 關(guān) 與 3種 沖 突 的 關(guān) 系? 數(shù) 據(jù) 相 關(guān)名 相 關(guān)控 制 相 關(guān)3種 相 關(guān) 結(jié) 構(gòu) 沖 突數(shù) 據(jù) 沖 突控 制 沖 突 3種 沖 突原 因 結(jié) 果 2014.2.17 計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) 結(jié) 構(gòu) 10 沖 突 的 通 用 處 理 方 法 暫 停 沖 突 的 通 用 處 理 方 法 ： 為 了 不 出 現(xiàn) 錯(cuò) 誤 結(jié) 果 ， 相 關(guān) 檢 測 硬 件 會 自 動 插 入所 需 個(gè) 數(shù) 的 暫 停 周 期 stall（ 又 稱 為

12、 “ 流 水 線 氣 泡 ” ） ， 圖 3.21和 圖 3.22是等 效 的 表 示 法 ， 后 者 比 較 緊 湊 ； MIPS流 水 線 的 暫 停 ： 在 ID段 之 后 分 支 ， 在 MEM段 之 前 匯 合 。如 果 一 條 指 令 在 非 分 支 的 IF、 ID、 MEM、 WB段 暫 停 ， 它 后 面 的 指 令 只能 順 序 流 動 ； 如 果 一 條 指 令 在 任 一 分 支 內(nèi) 暫 停 ， 它 后 面 的 其 它 種 類 指 令可 以 亂 序 流 動 （ 繞 過 它 先 流 向 出 口 ） 。 MIPS暫 停 演 示 程 序 Lesson-5.s： dmul r1

13、,r2,r3 dmul r4,r5,r1 sub.d f1,f2,f3 2014.2.17 計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) 結(jié) 構(gòu) 11 1. 結(jié) 構(gòu) 沖 突 特 異 處 理 方 法 （ P75） “ 設(shè) 備 重 復(fù) ” 方 法 ， 又 稱 “ 完 全 流 水 化 功 能 單 元 ” 方 法 ： 即 為 不 同指 令 的 同 一 操 作 分 別 設(shè) 置 獨(dú) 立 的 設(shè) 備 。 比 如 IF 段 訪 問 指 令 存 儲 器 ，MEM 段 訪 問 數(shù) 據(jù) 存 儲 器 （ 見 課 件 P108） 。 這 種 方 法 需 要 顯 著 增 加 成 本 ， 對 經(jīng) 常 發(fā) 生 的 沖 突 類 型 值 得 采 用 。

14、而不 常 發(fā) 生 的 結(jié) 構(gòu) 相 關(guān) ， 因 為 導(dǎo) 致 的 程 序 平 均 執(zhí) 行 時(shí) 間 增 加 并 不 多 ， 可 以放 任 不 管 ， 見 下 頁 例 子 。 2014.2.17 計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) 結(jié) 構(gòu) 12 例 3.5（ 不 用 “ 完 全 流 水 化 功 能 單 元 ” 的 例 子 ， 2版 教 材 ） 已 知 DLX處 理 機(jī) （ MIPS的 前 身 ） 中 其 它 指 令 的 CPI = 1， 浮 點(diǎn) 乘 法指 令 的 CPI = 7， 因 為 非 流 水 的 浮 點(diǎn) 乘 法 部 件 用 時(shí) 7 拍 。 如 果 下 一 條 指 令也 要 使 用 浮 點(diǎn) 乘 法 部 件 ，

15、則 必 須 比 上 一 條 指 令 推 遲 7 拍 啟 動 ， 除 非 增 加 一個(gè) 浮 點(diǎn) 乘 法 部 件 。 在 mdljdp2基 準(zhǔn) 測 試 程 序 中 ， 浮 點(diǎn) 乘 法 指 令 出 現(xiàn) 的 概 率為 14%， 試 分 析 不 采 用 “ 完 全 流 水 化 功 能 單 元 ” 方 法 帶 來 的 CPI 增 量 。分 析 ： 不 采 用 “ 完 全 流 水 化 功 能 單 元 ” 方 法 ， 即 系 統(tǒng) 中 只 有 一 個(gè) 浮 點(diǎn) 乘 法部 件 ， 那 么 當(dāng) 浮 點(diǎn) 乘 法 指 令 的 下 一 條 指 令 不 是 浮 點(diǎn) 乘 法 指 令 時(shí) CPI 仍 為 1（ 應(yīng) 為 2， 林

16、老 師 注 ） ， 當(dāng) 下 一 條 指 令 是 浮 點(diǎn) 乘 法 指 令 時(shí) CPI 增 大 到 7。最 壞 情 況 是 這 14%的 浮 點(diǎn) 乘 法 指 令 連 續(xù) 出 現(xiàn) ， 那 么 整 個(gè) 程 序 的 平 均 CPI 將 增 加 14% 6 = 0.84拍 。 該 教 材 說 當(dāng) 浮 點(diǎn) 乘 法 指 令 服 從 均 勻 分 布 時(shí) ， 采 用 “ 完 全 流 水 化 功 能單 元 ” 獲 得 的 好 處 可 能 很 少 ， 原 因 是 實(shí) 際 CPI 的 增 量 比 0.84小 得 多 （ 見下 頁 例 3.5 的 進(jìn) 一 步 推 導(dǎo) ” ） 。 2014.2.17 計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) 結(jié)

17、 構(gòu) 13 例 3.5 的 進(jìn) 一 步 推 導(dǎo)記 ： 浮 點(diǎn) 乘 法 指 令 的 出 現(xiàn) 概 率 ， = 14%； 由 于 浮 點(diǎn) 乘 法 指 令出 現(xiàn) 導(dǎo) 致 的 平 均 CPI 增 量 （ 節(jié) 拍 數(shù) ） ； n 指 令 總 數(shù) 。分 析 ： 1條 單 獨(dú) 出 現(xiàn) 的 概 率 為 1（ 1- ） ， 對 應(yīng) 的 = 0； 2條 連 續(xù) 出 現(xiàn)的 概 率 為 2（ 1- ） ， 對 應(yīng) 的 = 4； ； k條 連 續(xù) 出 現(xiàn) 的 概 率 為 k（ 1- ） ， 對 應(yīng) 的 = 4（ k-1） ； ； n+1條 連 續(xù) 出 現(xiàn) 的 概 率 為 0。的 期 望 值 ： /= 2（ 1- ） 4

18、1 + 3（ 1- ） 4 2 + + n（ 1- ） 4 （ n-1）= 4（ 1- ） 1 2 + 2 3 + +（ n-1） n= 4 2（ 1- n -1） /（ 1- ） -（ n-1） n+1當(dāng) n時(shí) ， / 4 2 /（ 1- ） 0.09拍 2014.2.17 計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) 結(jié) 構(gòu) 14 2. 數(shù) 據(jù) 沖 突 特 異 處 理 方 法 （ P76）(1) 實(shí) 例 見 圖 3.23(2) 相 關(guān) 指 令 彼 此 間 隔 大 于 一 定 距 離 就 不 會 出 錯(cuò) （ P77第 1段 ， XOR）(3) 把 時(shí) 鐘 分 成 前 、 后 半 段 的 方 法 可 以 解 決 寄 存

19、 器 相 關(guān) （ P77第 1段 ， OR）(4) 定 向 技 術(shù) （ forwarding） 可 以 達(dá) 到 提 前 1.5拍 寫 、 推 遲 0.5拍 讀 的 效 果 ，消 除 2拍 以 內(nèi) 的 相 關(guān) 出 錯(cuò) （ 實(shí) 際 有 效 范 圍 因 指 令 而 異 ， 見 下 圖 ）(5) 通 過 編 譯 軟 件 的 指 令 調(diào) 度 處 理 ， 可 以 達(dá) 到 (2)的 目 的 ， 而 不 用 增 加 “ 空操 作 ” 指 令 或 者 硬 件 “ 氣 泡 ” （ P79第 5行 實(shí) 例 分 析 ） 。 DADD R1,R2,R3 IF ID EX MEM WB ANDI R1,R1,0 xFF

20、IF ID EX MEM WB 前 半 拍 完 成 寫 寄 存 器后 半 拍 完 成 讀 寄 存 器ALU出 口 定 向 路 徑 定 向 路 徑 ALU入 口 2014.2.17 計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) 結(jié) 構(gòu) 15 定 向 路 徑 （ 相 關(guān) 專 用 通 路 ） MEM/WB 指 令 IR 數(shù) 據(jù) 存 儲 器 通用寄存器組 符 號 位 擴(kuò) 展 PC =0? ADD 16 32 4 存 儲 器 M U X 1 M U X 3 IR A B Imm IRrs IRrt MEM/WB.IR NPC IR ALUo B IR LMD ALUo IR EX/MEM ID/EX IF/ID ADD M X

21、4 U ALU 寄 存 器 文 件 寄 存 器 文 件 寄 存 器 文 件 寄 存 器 文 件通 過 定 向 路 徑 復(fù) 制 寄 存 器 文 件 2014.2.17 計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) 結(jié) 構(gòu) 16 采 用 定 向 技 術(shù) 后 消 除 停 頓 的 情 形 時(shí) 間 （ 時(shí) 鐘 周 期 ） 1 2 3 4 5 6 IM Reg ALU DM Reg IM Reg ALU DM Reg IM Reg ALU DM IM Reg ALU DADD R1， R2， R3 DSUB R4， R1， R5 XOR R6， R1， R7 AND R8， R1， R9 IM Reg OR R10， R1， R1

22、1 2014.2.17 計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) 結(jié) 構(gòu) 17 采 用 定 向 技 術(shù) 后 減 少 停 頓 的 情 形 時(shí) 間 （ 時(shí) 鐘 周 期 ） 1 2 3 4 5 6 IM Reg ALU DM Reg IM Reg ALU DM Reg IM Reg ALU DM IM Reg ALU LD R1， 0(R2) DADD R4， R1， R5 AND R6， R1， R7 XOR R8， R1， R9 2014.2.17 計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) 結(jié) 構(gòu) 18 數(shù) 據(jù) 沖 突 的 分 類 （ P76）(1) 寫 -讀 沖 突 ， 當(dāng) 后 一 條 指 令 ID先 于 前 一 條 指 令 WB時(shí) 發(fā)

23、 生 ， 最 常 見 ；(2) 寫 -寫 沖 突 ， 當(dāng) 后 一 條 指 令 WB先 于 前 一 條 指 令 WB時(shí) 發(fā) 生 ， 亂 序 流 動下 會 出 現(xiàn) ；(3) 讀 -寫 沖 突 ， 當(dāng) 后 一 條 指 令 WB先 于 前 一 條 指 令 ID時(shí) 發(fā) 生 。 RISC機(jī) 器不 會 出 現(xiàn) ， 因 為 流 水 線 在 ID之 前 沒 有 分 支 。 數(shù) 據(jù) 沖 突 的 自 動 檢 測 與 氣 泡 的 自 動 生 成 ： 通 過 “ 流 水 線 互 鎖 ”（ pipeline interlock） 機(jī) 構(gòu) 來 實(shí) 現(xiàn) ， 閱 讀 P79第 1段 ， P89第 2段 ， 詳 見 2版P96；

24、 可 以 檢 測 到 的 各 種 數(shù) 據(jù) 沖 突 列 表 ， 見 2版 P96表 3.3。 2014.2.17 計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) 結(jié) 構(gòu) 19 3. 控 制 沖 突 特 異 處 理 方 法 （ P79） 重 要 性 （ P80） ： 每 個(gè) 條 件 分 支 指 令 帶 來 3個(gè) 暫 停 周 期 ， 30%時(shí) 減 速一 半 。方 法 ：(1) “ 凍 結(jié) ” （ freeze） 或 “ 排 空 ” （ flush） ： 消 極 暫 停(2) 提 早 完 成 分 支 操 作 ， 把 3個(gè) 暫 停 周 期 縮 短 為 1個(gè) 。 需 要 做 兩 件 事 ： 盡 早 判 斷 是 否 成 功 （ 將 測

25、 試 操 作 提 早 到 ID段 ） ； 盡 早 算 出 目 標(biāo) 地 址 （ 將 地 址 計(jì) 算 提 早 到 ID段 ） 。改 進(jìn) 前 改 進(jìn) 后 BEQZ R1,L1 IF ID EX MEM WB LW R2,x1(R0) IF ID EX MEM WB BEQZ R1,L1 IF ID EX MEM WB LW R2,x1(R0) IF ID EX MEM WB 2014.2.17 計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) 結(jié) 構(gòu) 20 3. 控 制 沖 突 特 異 處 理 方 法 （ P79） 續(xù)(3) 通 過 預(yù) 測 提 前 啟 動 分 支 后 面 的 指 令 “ 預(yù) 測 分 支 失 敗 ” ： 猜 失

26、敗 ， 提 前 取 指 令 i+1； “ 預(yù) 測 分 支 成 功 ” ： 猜 成 功 ， 需 要 計(jì) 算 目 標(biāo) 地 址 ， 而 RISC流 水 線的 地 址 計(jì) 算 與 判 跳 操 作 是 同 時(shí) 完 成 的 ， 故 此 舉 無 益 ；(4) “ 延 遲 分 支 ” （ delayed branch） ： 調(diào) 若 干 指 令 在 若 干 “ 延 遲 槽 ” 中執(zhí) 行 ， 調(diào) 分 支 前 的 指 令 （ 最 佳 方 案 ） ； 調(diào) 跳 轉(zhuǎn) 目 標(biāo) 處 指 令 （ 猜 成 功 ， 猜 錯(cuò) 需 作 廢 ） ； 調(diào) 后 續(xù) 指 令 （ 猜 失 敗 ， 猜 錯(cuò) 需 作 廢 ） 。(5) “ 取 消 ”

27、 （ canceling） 或 “ 作 廢 ” （ nullifying） 分 支 ： 對 “ 分 支 延 遲槽 ” 的 處 理 技 術(shù) 。 2014.2.17 計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) 結(jié) 構(gòu) 21 改 進(jìn) 后 的 MIPS流 水 線 （ P90） MEM/WB 指 令 IR 數(shù) 據(jù) 存 儲 器 通用寄存器組 符 號 位 擴(kuò) 展 PC =0? ADD 16 32 4 存 儲 器 M U X 1 M U X 3 IR A B Imm IRrs IRrt MEM/WB.IR NPC IR ALUo B IR LMD ALUo IR EX/MEM ID/EX IF/ID ADD M X 4 U ALU

28、2014.2.17 計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) 結(jié) 構(gòu) 22 改 進(jìn) 流 水 線 上 使 用 定 向 技 術(shù) 的 延 遲 時(shí) 間 相 關(guān) 指 令 對 1 2 3 4 5 6 延 遲 ALU 指 令 IF ID EX MEM WB ALU 指 令 IF ID EX MEM WB 0 ALU 指 令 IF ID EX MEM WB 分 支 指 令 IF ID EX MEM WB 1 LD 指 令 IF ID EX MEM WB ALU 指 令 IF ID EX MEM WB 1 LD 指 令 IF ID EX MEM WB 分 支 指 令 IF ID EX MEM WB 2 2014.2.17 計(jì) 算 機(jī)

29、 系 統(tǒng) 結(jié) 構(gòu) 23 各 種 處 理 控 制 沖 突 方 法 的 性 能 公 式 （ 2版 P104）(1) 控 制 沖 突 （ 即 分 支 ） 導(dǎo) 致 的 最 大 加 速 比 Smax下 降 在 定 義 流 水 線 “ 效 率 ” 指 標(biāo) 時(shí) 推 導(dǎo) 過 一 個(gè) 公 式 ： Smax=E m， 意 思 是說 當(dāng) 效 率 達(dá) 到 100%時(shí) ， 流 水 方 式 （ 每 個(gè) t完 成 一 個(gè) 任 務(wù) ） 吞 吐 率 為 順 序方 式 （ 每 m個(gè) t完 成 一 個(gè) 任 務(wù) ） 的 m倍 。 此 處 把 m改 寫 為 D。 考 慮 分 支 損 失 的 流 水 線 最 大 加 速 比 公 式 ：

30、Smax=E m / (1 + f P分 支 )，其 中 f是 分 支 指 令 的 出 現(xiàn) 概 率 ， P分 支 是 平 均 分 支 損 失 （ 暫 停 周 期 數(shù) ） 。 其 實(shí) 這 個(gè) 公 式 可 以 用 來 計(jì) 算 任 何 一 種 沖 突 對 應(yīng) 的 最 大 加 速 比 S max 。 對 MIPS來 說 ， 無 任 何 沖 突 情 況 下 “ 效 率 ” E=100%。(2) 采 用 每 種 處 理 方 法 減 少 分 支 損 失 的 效 果 假 定 沒 有 分 支 損 失 情 況 下 ， 理 想 CPI = 1。 可 以 算 出 存 在 分 支 損 失 情 況 下 ， 不 處 理 或

31、 單 一 處 理 方 法 對 應(yīng) 的 平 均分 支 損 失 值 、 延 長 的 CPI值 。 2014.2.17 計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) 結(jié) 構(gòu) 24 各 種 沖 突 處 理 方 法 小 結(jié) （ 同 學(xué) 們 自 己 做 ）結(jié) 構(gòu) 沖 突 ：數(shù) 據(jù) 沖 突 ：(1)(2)(3)控 制 沖 突 ：(1)(2)(3) 作 業(yè) 3.11題 修 改 ： 開 頭 添 加 ： 在 圖 3.33所 示 MIPS流 水 線 上 2014.2.17 計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) 結(jié) 構(gòu) 25 實(shí) 驗(yàn) 2MIPS流 水 線 部 件 與 指 令 周 期實(shí) 驗(yàn) 要 求 ： 在 人 工 完 成 習(xí) 題 3.11之 后 ， 在 WinM

32、IPS64模 擬 器 上 運(yùn) 行 對 應(yīng) 的 程 序 ， 分別 按 (1)(2)(3)小 問 的 條 件 設(shè) 置 模 擬 器 的 運(yùn) 行 模 式 ， 記 錄 相 應(yīng) 的 時(shí) 鐘 周 期 數(shù)。實(shí) 驗(yàn) 報(bào) 告 ：(1) 程 序 清 單 ；(2) 程 序 時(shí) 間 對 比 (3) 人 工 計(jì) 算 值 與 實(shí) 測 值 的 差 異 原 因 分 析 ， 如 果 有 差 異 的 話 ；(4) 至 少 1段 自 己 認(rèn) 為 有 價(jià) 值 的 “ 時(shí) 鐘 周 期 圖 ” 片 段 抄 錄 或 者 打 印 ， 加 注 釋。 題 目 小 問 (1) (2) (3) 人 工 計(jì) 算 的 時(shí) 鐘 周 期 數(shù) 在 模 擬 器

33、上 實(shí) 測 的 時(shí) 鐘 周 期 數(shù) 2014.2.17 計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) 結(jié) 構(gòu) 26各 次 作 業(yè) 應(yīng) 交 的 內(nèi) 容 作 業(yè) 5（ 第 5次 課 ）3.11(改 )， 實(shí) 驗(yàn) 2 2 月 19 日 1.10(改 )， 1.7， 1.11(2 解 法 ) 4 月 9 日 7.14(難 題 )， 7.12(難 題 ) 2 月 26 日 2.14(補(bǔ) 充 )， 實(shí) 驗(yàn) 1， 3.8， 3.10 4 月 16 日 8.12(補(bǔ) )， 8.11(改 ) (難 題 ) 3 月 5 日 3.11(改 )， 實(shí) 驗(yàn) 2， 5.11， 5.8， 5.9 4 月 23 日 9.9(改 )， 9.13 3 月 12 日 6.8(改 )， 6.7， 7.9 4 月 30 日 10.6， 10.9(難 題 ) 4 月 2 日 7.11， 7.10