五段式指令流水线

电玩女神 2022-10-18 00:52 191阅读 0赞

### 文章目录 ###

*  机器周期的设置
 *   *  注意
     *  步骤
     *   *  考试中常见的五类指令：
 *  常见的五类指令
 *   *  运算类指令的执行过程
     *   *  运算类指令
         *  举例：
         *  注意：
     *  LOAD指令的执行过程
     *   *  LOAD指令
         *  举例：
         *  注意：
     *  STORE指令的执行过程
     *   *  STORE指令
         *  举例
     *  条件转移指令的执行过程
     *   *  条件转移指令（转移类指令常采用相对寻址）
         *  举例：
         *  注意：
     *  无条件转移指令的执行过程
     *   *  无条件转移指令（转移类指令常采用相对寻址）
         *  举例
 *  例题
 *   *  解答
     *  收获

# 机器周期的设置 #

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NTUyNTI3Mg_size_16_color_FFFFFF_t_70]

流水线每一个功能段部件后面都要有一个缓冲寄存器，或称为锁存器，其作用是保存本流水段的执行结果，提供给下一流水段使用。

## 注意 ##

1.  为方便流水线的设计，将每个阶段的耗时取成一样，以最长耗时为准。  
    即此处应将机器周期设置为100ns。
2.  理想情况下，每个机器周期（功能段）只消耗一个时钟周期。

## 步骤 ##

①IF取指  
②ID译码&取数  
③EX 执行  
④M访存  
⑤WB写回寄存器

### 考试中常见的五类指令： ###

运算类指令、LOAD指令、STORE指令、条件转移指令、无条件转移指令

下面我们对这五个指令进行介绍

# 常见的五类指令 #

## 运算类指令的执行过程 ##

### 运算类指令 ###

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NTUyNTI3Mg_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

*  IF：根据PC从指令Cache取指令至IF段的锁存器
 *  ID：取出操作数至ID段锁存器
 *  EX：运算，将结果存入EX段锁存器
 *  M：空段
 *  WB：将运算结果写回指定寄存器

### 举例： ###

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>运算类指令举例</th> 
   <th>指令的汇编格式</th> 
   <th>功能</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>加法指令（两个寄存器相加）：</td> 
   <td>ADD Rs,Rd</td> 
   <td>(Rs)+(Rd) → Rd</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>加法指令（寄存器与立即数相加）：</td> 
   <td>ADD #996,Rd</td> 
   <td>996+(Rd) → Rd</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>算数左移指令：</td> 
   <td>SHL Rd</td> 
   <td>(Rd)&lt;&lt;&lt;2 → Rd</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

### 注意： ###

*  Rs指源操作数（source）
 *  Rd指目的操作数（destination）

## LOAD指令的执行过程 ##

### LOAD指令 ###

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NTUyNTI3Mg_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]

*  IF：根据PC从指令Cache取指令至IF段的锁存器
 *  ID：将基址寄存器的值放到锁存器A，将偏移量的值放到Imm
 *  EX：运算，得到有效地址
 *  M：从数据Cache中取数并放入锁存器
 *  WB：将取出的数写回寄存器

### 举例： ###

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>指令的汇编格式</th> 
   <th>功能</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>LOAD Rd,996(Rs)</td> 
   <td>(996+(Rs))→Rd</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>或简写为：LOAD Rd,mem</td> 
   <td>(mem)→Rd</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

### 注意： ###

通常，RISC处理器只有“取数LOAD”和“存数STORE”指令才能访问主存

## STORE指令的执行过程 ##

### STORE指令 ###

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NTUyNTI3Mg_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]

*  IF：根据PC从指令Cache取指令至IF段的锁存器
 *  ID：将基址寄存器的值放到锁存器A，将偏移量的值放到Imm。将要存的数放到B
 *  EX：运算，得到有效地址。并将锁存器B的内容放到锁存器 Store。
 *  M：写入数据Cache
 *  WB：空段

### 举例 ###

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>指令的汇编格式</th> 
   <th>功能</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>STORE Rs,996(Rd)</td> 
   <td>Rs → (996+(Rd))</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>或简写为：STORE Rs,mem</td> 
   <td>Rs → (mem)</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

## 条件转移指令的执行过程 ##

### 条件转移指令（转移类指令常采用相对寻址） ###

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NTUyNTI3Mg_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]

*  IF：根据PC从指令Cache取指令至IF段的锁存器
 *  ID：进行比较的两个数放入锁存器A、B；偏移量放入 Imm
 *  EX：运算，比较两个数
 *  M：将目标PC值写回PC（左图没画全）
 *  WB：空段

### 举例： ###

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>指令的汇编格式</th> 
   <th>功能</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>beq Rs, Rt, #偏移量</td> 
   <td>若(Rs)==(Rt),则(PC)+指令字长+(偏移量×指令字长)→PC；否则(PC)+指令字长→PC</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>bne Rs, Rt, #偏移量</td> 
   <td>若(Rs)!=(Rt),则(PC)+指令字长+(偏移量×指令字长)→PC；否则(PC)+指令字长→PC</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

### 注意： ###

注：通常在IF段结束止之后PC就会自动 +“1”

## 无条件转移指令的执行过程 ##

### 无条件转移指令（转移类指令常采用相对寻址） ###

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NTUyNTI3Mg_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]

*  IF：根据PC从指令Cache取指令至IF段的锁存器
 *  ID：偏移量放入 Imm
 *  EX：将目标PC值写回PC（左图没画全）
 *  M：空段
 *  WB：空段

### 举例 ###

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>指令的汇编格式</th> 
   <th>功能</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>jmp #偏移量</td> 
   <td>(PC)+指令字长+(偏移量×指令字长)àPC</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

# 例题 #

例题.假设某指令流水线采用“按序发射，按序完成”方式，没有采用转发技术处理数据相关，并且同一寄存器的读和写操作不能在同一个时钟周期内进行。若高级语言程序中某赋值语句为x=a+b，x、a和b均为int型变量，它们的存储单元地址分别表示为\[x\]、\[a\]和\[b\]。该语句对应的指令序列及其在指令流中的执行过程如下图所示。

![在这里插入图片描述][20210606155651983.png]  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NTUyNTI3Mg_size_16_color_FFFFFF_t_70 6]

则这4条指令执行过程中I3的ID段和I4的IF段被阻塞的原因各是什么？

## 解答 ##

I3与I1和I2存在数据相关；
    
    I4的IF段必须在I3进入ID段后才能开始，否则会覆盖IF段锁存器的内容

## 收获 ##

只有上一条指令进入ID段后，下一条指令才能开始IF段，否则会覆盖IF段锁存器的内容

[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NTUyNTI3Mg_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20221014/7ec78608265245afbb600523dcbdfedb.png
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[20210606155651983.png]: /images/20221014/6f54e96512484adc97cef133ad2f1503.png
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