1. 流水线实现多周期指令简图

2. MIPS流水线基本流程

1. 取指令；

2. 读寄存器和译码；

3. 执行ALU和地址计算；

4. 存储器访问；

5. 写结果到寄存器。

3. 非流水与流水的对比：

1. 非流水的执行时间

– 3条指令共需3×800＝2400ps。

2. 流水线的执行时间

– 3条指令共需1000＋200×2＝1400ps。

3. 当有数百万条指令时：

– 对每一条指令来说，非流水线仍然是800ps，流水线则是200ps ；

– 流水线/非流水线＝(800*n)/(1000+200*（n-1）)=4 倍。

4. 理想的情况下，流水线的级数就是比非流水线的性能提高的倍数。

5. 事实上，流水线总是存在一些额外的开销，因此流水线执行时间比流水各段的执行时间要大。

6. 流水线通过提高吞吐率改善性能，并没有减少单条指令的执行时间。

4. 适合于流水线的MIPS指令特点

• MIPS的指令都是等长的(32位）；
• 访存指令不存在两次访问存储器的可能。

5. 流水线冒险

流水线冒险（pipeline hazards): 下一条指令不能在流水线中的下一个周期执行。称为流水线冒险。主要有以下三种流水线冒险：

– 结构冒险(structural hazards)

由于硬件资源的局限，不能在同一个周期执行一些指令的组合。

• 例如：

若在指令流水线中，硬件资源中仅有一个独立的存储器，而不是两个分离的独立存储器，就会造成因资源不够而使流水线发生停顿。

– 数据冒险(data hazards)

流水线中指令的执行在适当的周期内的得不到可用的数据，而引起流水线停顿，称之为数据冒险。

• 数据冒险是由数据的相关性造成的。
• 硬件的解决方案是：

旁路（bypass)或称向前传递（Forwarding)

– 控制冒险(control hazards)

流水线中的下一条指令要不要执行，需要等待转移指令的结果后，才能确定。

• 解决的方法

加入停顿，等待决策的指令执行完。这种方法效率低，但可用。

6. 流水线的数据通路

流水线的5个阶段：

1. 取指令；

2. 译码和读寄存器；

3. 执⾏ALU和地址计算；

4. 存储器访问；

5. 写回结果。

五级流水线数据通路如图所示：

7. 流水线控制通路的设计

需要注意以下五个阶段的控制信号的产生。

• 取指令阶段：

– 读寄存器；

– 总是写PC；

– 无特殊的控制信号；

• 译码阶段的控制信号：

– 所有的都读，无附加的控制信号；

• EX阶段：ALU计算的控制信号；
• 存储器访问的控制信号；
• 写回的控制信号。