利用管路增加效能

利用管路增加效能第十七週1管路概觀管路是一種製作技巧，它可以重疊指令的執(zhí)行。(圖6.1)4個階段的管路(所有的階段都花費同樣的時間)對於非管路而言，花費16個單位時間對於管路而言，花費7個單位時間一個工作的執(zhí)行時間不會較管路來的短因為使用管路技巧而提升的速度很可能相當(dāng)於管路的階段數(shù)目2管路概觀3管路概觀一般來說，MIPS的指令分成下面五個管路階段：從指令記憶體中擷取指令當(dāng)對指令進(jìn)行解碼時，讀取暫存器的值執(zhí)行運算(R-型)，或計算一個位址(存取記憶體)存取在記憶體中的運算元將結(jié)果寫回暫存器中MIPS指令以管路方式執(zhí)行須五個階段4指令種類指令擷取

暫存器讀取ALU運算資料存取暫存器寫入總共時間載入指令(lw)2ns1ns2ns2ns1ns8ns儲存指令(sw)2ns1ns2ns2ns

7nsR型態(tài)指令(add、sub、and、or、slt)2ns1ns2ns

1ns6ns分支指令(beq)2ns1ns2ns

5ns管路概觀範(fàn)例.單一時脈週期指令及管路效率的比較(1)單一時脈，非管路化的執(zhí)行結(jié)果:單一指令執(zhí)行時間=8ns三個指令的執(zhí)行時間=3*8=24ns(2)管路執(zhí)行結(jié)果:所有的管路階段花費相同的時間(單一時脈週期)時脈週期必須夠長以配合最慢的指令階段長度=2ns執(zhí)行時間=7*2=14ns5Fig6.3Single-cycle,non-pipelinedexecutionintopvs.pipelinedexecutioninbottom管路概觀若有分支指令呢?在管路終將會有〝洞〞產(chǎn)生6管路概觀管路危障在管路化中，不能順利的在下一個時脈週期執(zhí)行下一個指令，這種情形稱之為〝危障〞。.三種不同形態(tài)的危障結(jié)構(gòu)危障控制危障資料危障1.結(jié)構(gòu)危障硬體資源不夠多，而導(dǎo)致在同一時間內(nèi)要執(zhí)行的多個指令卻無法執(zhí)行。範(fàn)例假設(shè)我們只有單一記憶體而不是擁有兩個分離的記憶體，如果在圖6.3管路中有第四個指令，在某一時脈週期，第一個指令正在存取記憶體的同時，第四個指令也在同一記憶體中擷取指令，也就是兩個記憶體對同一個記憶體同時進(jìn)行存取動作，此一狀況稱之為〝結(jié)構(gòu)危障〞。7管路概觀2.控制危障發(fā)生在其他指令正在執(zhí)行時，需要依據(jù)另一指令的結(jié)果來做出一些決定的時候就會發(fā)生〝控制危障〞。範(fàn)例:圖6.4的lw指令︰解決方式1:暫停假設(shè)我們有足夠的硬體，所以可以在第二個管路階段中測試暫存器、計算分支位址、並更新PC值。指令lw被額外暫停了2-ns的時脈週期稱之為〝管路暫停〞也稱之為〝氣泡〞）。8Fig6.5Predictingthatbranchesarenottakenasasolutiontocontrolhazards管路概觀解決方式2:預(yù)測預(yù)測分支條件永遠(yuǎn)不會成立當(dāng)你的預(yù)測正確時，管路可以全速的運作(圖6.5(a))只有當(dāng)分支發(fā)生時我們才需要管路暫停(圖6.5(b))9管路概觀3.資料危障管路中某一指令執(zhí)行時，需要用到還在管路中前面的指令所產(chǎn)生的結(jié)果。範(fàn)例 add$s0,$t0,$t1 sub$t2,$s0,$t3加法指令會到第五個管路階段才將資料寫回暫存器，意思就是說我們將會產(chǎn)生三個氣泡。前饋(圖6.8)10管路概觀範(fàn)例 lw$s