4.5 pipeline

流水线概述

1. 每条指令的执行需要一个时钟周期，而这个时钟周期是固定的，等于执行最慢(延迟最长)的指令的时间：

![[Pasted image 20241217002903.png

500]]

譬如图中设计的一个时钟周期的时长为800ps，即ld指令的时长；执行beq指令时，虽然它本身只需要500ps，但也会消耗800ps；

2. 指令的每个阶段(每个功能单元的操作)的执行时间也是固定的，等于延迟最长的阶段的时长：

![[Pasted image 20241217003111.png|500]]
如图，Reg执行阶段消耗了200ps的时间(等于最长的ALU或Data access时间)，尽管它本身不需要这么久；

3. [使用]流水线的指令执行时间 = [不使用]流水线的指令执行时间 ÷ 流水线级数

（加速比=流水线级数）
譬如：对于800ps的非流水线时钟周期，五级流水线会将其改善为800ps/5=160 ps

ps：流水线级数为k，即把一个指令划分成k个阶段

4. 符号解释

IF：取指令阶段（instruction memory）
ID：译码/读寄存器阶段（寄存器堆）
EX：执行阶段（ALU）
MEM：访问存储器阶段（data memory）
WB：写回阶段
==左写右读==：左半边阴影表示写操作、右半边阴影表示读操作

![[Pasted image 20241217012923.png

500]]

5. 前递 —— 处理数据冒险的第1个方法

![[Pasted image 20241217013050.png|500]]

6. 停顿 —— 处理数据冒险的第2个方法

![[Pasted image 20241217013203.png|500]]
对于如图的指令，前递无法解决数据冒险，只能选择停顿+前递

7. 重排指令顺序 —— 处理数据冒险的第3个方法

![[Pasted image 20241217013418.png	200]]
![[Pasted image 20241217013451.png	120]]

8. 控制冒险的解决方案

![[Pasted image 20241217022057.png|500]]

9. 动态预测

• 动态硬件预测器 根据每个条件分支指令的行为进行预测；

• 实现方法是 保存每个条件分支是否发生跳转的历史记录，从而利用过去预测未来；

• 如果预测错误，必须 从正确的分支地址处重新启动流水线；