指令流水线的设计共60页
计算机系统结构第3章流水线技术
流水线调度
根据指令的依赖关系和资源可用性，动态调 度指令到不同的流水线阶段。
GPU设计中的流水线技术
线程级并行
通过划分线程块和线程束，实现线程级并行执行。
数据级并行
将数据划分为多个块，每个块在GPU的多个处理单元上并行处理。
指令级并行
通过指令调度和分支预测，实现指令级并行执行。
硬件资源共享
01
硬件资源共享是指流水线中的多个操作共享相同的硬件资源， 如寄存器、缓冲区等。
02
硬件资源共享能够提高资源利用率，减少硬件开销，降低成本。
需要注意的是，硬件资源。
流水线的性能指标
01
吞吐量
流水线每单位时间内完成的操作数 或任务数。
流水线调度
根据子任务的依赖关系和资源需求，动态调 度子任务到不同的计算节点。
THANKS
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将执行结果写回寄 存器或内存。
02
流水线的工作原理
数据流驱动
1
数据流驱动是指流水线中的操作按照数据流动的 方向依次执行，每个操作在完成前需要等待前一 个操作的结果。
2
数据流驱动的优点是能够充分利用数据依赖关系， 减少等待时间，提高流水线的吞吐量。
3
需要注意的是，数据流驱动需要精确控制数据流 动的顺序，以避免出现数据相关和冒险问题。
调试和维护困难
由于流水线中各个阶段是并行处 理的，调试和维护可能会比串行 系统更加困难。
05
流水线技术的应用
CPU设计中的流水线技术
指令划分
将指令划分为多个阶段，每个阶段对应一个 功能单元，从而并行执行多个指令。
数据路径设计
流水线设计
流水线设计1. 概述在计算机科学中，流水线是一种用于提高计算机性能的技术。
它将复杂的任务划分为一系列简单的子任务，并且在同时执行这些子任务的同时传递数据，从而实现更高的吞吐量和更短的响应时间。
本文将介绍流水线设计的基本原理和常见的应用。
我们将讨论流水线的架构、流水线的设计要点以及流水线中可能遇到的一些问题和解决方案。
2. 流水线的架构流水线的基本架构由以下几个组成部分组成：2.1. 输入单元输入单元负责接收外部输入并将其转换为计算机可以处理的格式。
它可以是键盘、鼠标、传感器等。
输入单元还可以包括解码器、缓冲区等组件，以提高数据传输的效率和稳定性。
2.2. 控制单元控制单元负责协调整个流水线中的各个组件的操作。
它根据指令和状态信息来决定下一步的操作，并将相应的指令发送给执行单元。
2.3. 执行单元执行单元是流水线中最重要的部分之一。
它负责执行任务的实际计算部分。
执行单元可以包括算术逻辑单元(ALU)、浮点运算单元(FPU)、乘法器、除法器等。
执行单元可以根据具体的需求进行扩展和优化。
2.4. 存储单元存储单元用于存储流水线中的数据和指令。
它可以是寄存器、缓存、内存等。
存储单元要具备高速访问和大容量的特性，以满足流水线的高效率要求。
2.5. 输出单元输出单元将计算结果输出给外部设备或其他计算机系统。
它可以是显示器、打印机、网络接口等。
输出单元还可以包括编码器、缓冲区等组件，以提高数据传输的效率和稳定性。
3. 流水线的设计要点在设计流水线时，我们需要考虑以下几个要点：3.1. 指令级并行流水线可以将任务划分为一系列子任务，并且在同时执行这些子任务的同时传递数据。
这种指令级并行可以提高计算机的性能。
在设计流水线时，我们需要合理划分子任务，并确保它们之间的依赖关系正确处理。
3.2. 数据冲突在流水线中，由于子任务之间的数据传递，可能会出现数据冲突的情况。
数据冲突会导致流水线的停顿和性能损失。
为了解决数据冲突，我们需要采取一些技术手段，如使用缓存、乱序执行、数据旁路等。
基于MIPS指令集的流水线CPU设计与实现
基于MIPS指令集的流水线CPU设计与实现刘秋菊;张光照;王仲英【摘要】提出了一种CPU设计方案,实现指令集为MIPS指令集中选取15条指令作为本CPU的基本指令,采用基本5步流水线CPU设计.分析了流水线CPU的逻辑结构与指令的处理过程,给出了取指阶段IF、译码阶段ID、执行阶段EX、内存访问阶段MEM、寄存器写回阶段WB阶段的设计与实现.对流水线产生的相关性问题,采用Bubble法和Forwarding法相结合的方法来消除相关性,在FPGA平台上进行了测试,测试结果表明,该方案符合设计要求.%In this paper,a design method of CPU was proposed,the instruction set of the CPU contained 15 items of MIPS instruction set,and the basic method of five step pipeline CPU design was used.Analyses were conducted on the logic structure of the pipeline CPU and the processing of the instruction.This paper also gave design and realization of stage IF,stage ID,stage EX,stage MEM and stage WB.About the pipeline-related problems,the paper adopted Bubble and Forwarding technologies to eliminate it.The tests on the FPGA platform show that the scheme meets the design requirements.【期刊名称】《实验室研究与探索》【年(卷),期】2017(036)008【总页数】6页(P148-152,172)【关键词】流水线;中央处理器;设计;指令集【作者】刘秋菊;张光照;王仲英【作者单位】郑州工程技术学院信息工程学院,郑州450000;河南经贸职业学院技术科学系,郑州450018;河南经贸职业学院技术科学系,郑州450018【正文语种】中文【中图分类】TP332在工业设计和机器人研究中，微处理器作为控制部件的核心是设计的关键，其性能直接影响整个系统的性能。
计算机体系结构——流水线技术（Pipelining）
单功能流水线：流水线只完成一种固定功能 多功能流水线：流水线可以完成多种功能，如 TI公司的ASC机，8段流水线，能够实现：定点加减 法、定点乘法、浮点加法等功能 3.按同一时间内各段之间的连接方式分 静态多功能流水线 ：同一时间内，多功能结构只能按一种功能的连接方式工作。 动态多功能流水线：在同一时间内，可以有多种功能的连接方式同时工作 4.按处理的数据类型 标量流水线 向量流水线 5.按控制方式 同步流水线 异步流水线：当Si功能段要向Si+1段传送数据时，首 先发出就绪信号，Si+1功能段收到信号后，向Si回送 一个回答信号。 6.按任务从输出端的流出顺序 顺序流水方式：指令流出顺序 = 指令流入顺序 乱序流水方式：指令流出顺序 ！= 指令流入顺序 7. 线性流水线——不带反馈回路的流水线
三、流水线的分类（了解）
四、流水线相关及冲突（重点） 1.流水线相关 2.流水线冲突 3.流水线冲突带来问题 4.数据冲突及其解决方案 5.结构冲突及其解决方案 6.控制冲突及其解决方案
五、流水线性能分析(含例题讲解) 1.流水线的基本参数——吞吐率 2.流水线的基本参数——加速比 3.流水线的基本参数——效率 4.结果分析 5.有关流水线性能的若干问题
整体评估、反馈、再改进
3. 指令周期
单周期处理机模型：一个周期完成一个指令（每个周期是等长的），指令长度可能不一样，会造成很大的浪费 多周期处理机模型：将一个指令的完成划分成若干个周期来实现 流水线模型
二、流水线技术 1. 什么是流水线？ 计算机中的流水线是把一个重复的过程分解为若干个子过程，每个子过程与其他子过程并行进行。由于这种工作方式与工厂中的生产 流水线十分相似， 因此称为流水线技术 从本质上讲，流水线技术是一种时间并行技术。
计算机组成原理流水线设计基础知识全面解析
计算机组成原理流水线设计基础知识全面解析计算机组成原理是计算机科学与技术的基础课程之一，而流水线设计则是其中的重要内容之一。
本文将全面解析计算机组成原理流水线设计的基础知识，介绍其工作原理、优势、流水线冲突及解决方法等内容。
一、工作原理计算机组成原理中，流水线设计是通过将指令的执行过程划分为多个阶段，并将这些阶段在不同的处理单元上并行执行的方式，从而提高指令的执行效率。
流水线设计主要包含以下几个阶段：1. 取指令阶段（IF）：从内存中读取指令并将其送至指令译码器。
2. 指令译码阶段（ID）：对指令进行解码，判断其类型，并提取相关寄存器的值。
3. 执行阶段（EX）：根据指令的类型，对操作数进行计算，并将结果保存至寄存器中。
4. 访存阶段（MEM）：如果指令需要访问内存，则进行内存读取或写入操作。
5. 写回阶段（WB）：将计算结果写回到寄存器中。
通过将指令的执行划分为多个阶段，并使用多个处理单元并行执行，流水线设计可以大大提高指令的执行效率，加快程序的运行速度。
二、优势流水线设计具有以下几个优势：1. 并行处理：通过将指令的执行划分为多个阶段，并使用多个处理单元并行执行，可以加快指令的执行速度。
2. 提高资源利用率：由于每个处理单元都可以执行不同的指令阶段，因此可以充分利用硬件资源，提高整体的资源利用率。
3. 灵活性：不同的指令可以使用不同的处理单元进行执行，在保持高效率的同时，增加了系统的灵活性，可以执行更多的指令类型。
然而，除了以上的优势外，流水线设计也存在一些问题，即流水线冲突。
三、流水线冲突及解决方法1. 结构冲突：当多个指令需要使用同一硬件资源时，会发生结构冲突。
例如，同时对存储器进行读取和写入操作。
解决方法：通过增加硬件资源的数量或调整指令的执行顺序，可以避免结构冲突的发生。
2. 数据冲突：当后续指令需要使用前一条指令的运算结果时，会发生数据冲突。
例如，一条指令的结果被另一条指令使用。
解决方法：可以通过插入空闲周期或使用旁路机制，将结果传递给后续指令，从而解决数据冲突。
数字系统设计-流水线CPU设计
实验报告课程名称：数字系统设计实验Ⅱ学院：信电系数字系统设计实验Ⅱ流水线MIPS微处理器设计ContentsPart 1实验目的 (3)Part 2实验任务 (3)Part 3实验原理 (4)Part 4实验步骤 (12)1.IF级设计 (12)2.ID级设计 (14)3.Decode单元设计 (16)4.ALU单元设计 (22)5.EX级设计 (27)6.顶层模块设计 (29)Part 5仿真和波形分析 (37)1.IF级仿真分析 (37)2.Decode单元仿真分析 (38)3.ALU仿真分析 (40)4.顶层仿真分析 (41)Part 6心得 (42)实验报告一、实验目的（1）了解提高CPU性能的方法。
（2）理解数据冒险、控制冒险的概念以及流水线冲突的解决方法。
（3）掌握流水线MIPS微处理器的工作原理。
（4）掌握流水线MIPS微处理器的测试方法。
二、实验任务设计一个32位流水线MIPS微处理器。
设计要求：（1）至少执行下列MIPS32指令。
①算数运算指令：ADD ADDU SUB SUBU ADDI ADDU②逻辑运算指令：AND OR NOR XOR ANDI ORI XORI SLT SLTI SLTU SLTIU③移位指令：SLL SLLV SRL SRLV SRA④条件分支指令：BEQ BNE BGEZ BGTZ BLEZ BLTZ⑤无条件跳转指令：J JR⑥数据传输指令：LW SW⑦空指令：NOP（2）在用5级流水线技术，对数据冒险实现转发或阻塞功能。
（3）在XUP Vietex-II Pro开发系统中实现MIPS微处理器，要求CPU的运行速度大于25MHz.三、实验原理1.流水线MIPS CPU总体设计与构建流水线是数字系统中一种提高系统稳定性和工作速度的方法，广泛应用在高档CPU的构建中。
根据MIPS处理器指令的特点，将整体的处理过程分为取指令（IF）、指令译码、执行、存储器访问和寄存器写回五级，对应多周期CPU的五个处理阶段。
MIPS指令五级流水CPU设计剖析
MIPS指令五级流水CPU设计剖析MIPS指令五级流水将指令的执行过程划分为取指（Instruction Fetch, IF）、译码（Instruction Decode, ID）、执行（Execution, EX）、访存（Memory Access, MEM）和写回（Write Back, WB）五个阶段。
每个阶段由一个独立的硬件逻辑电路实现，这样指令可以在同一时间在不同阶段同时执行，从而提高了CPU的吞吐量。
在取指阶段，CPU从指令缓存（Instruction Cache）中读取指令，并将其送入指令译码阶段。
取指阶段主要包括以下几个步骤：首先，CPU从PC寄存器中读取下一条指令的地址；然后，CPU将这个地址发送到指令缓存中，读取对应的指令；最后，CPU将读取到的指令送入译码阶段。
在译码阶段，CPU对指令进行译码，确定指令的类型和操作数，并将这些信息传递给执行阶段。
译码阶段主要包括以下几个步骤：首先，CPU从指令中解析出操作码和操作数；然后，CPU根据操作码确定指令的类型，并确定需要使用的操作数；最后，CPU将指令类型和操作数传递给执行阶段。
在执行阶段，CPU执行指令的实际操作，并计算结果。
执行阶段主要包括以下几个步骤：首先，CPU根据指令类型和操作数进行相应的运算；然后，CPU将计算结果传递给访存阶段或写回阶段，具体传递给哪个阶段取决于指令的类型；最后，CPU将执行完成的指令从流水线中清除。
在访存阶段，CPU将数据存储到内存或从内存中读取数据，并将数据传递给下一个阶段。
访存阶段主要包括以下几个步骤：首先，CPU将执行阶段产生的数据存储到内存；然后，CPU从内存中读取数据；最后，CPU将读取到的数据传递给写回阶段或下一个指令的取指阶段。
在写回阶段，CPU将执行阶段产生的结果写回到寄存器文件（Register File）中，以保存计算结果。
写回阶段主要包括以下几个步骤：首先，CPU将执行阶段产生的结果写入寄存器文件；然后，CPU更新PC寄存器的值，以指向下一条需要执行的指令；最后，CPU将流水线上所有已经执行完成的指令清除。
流水线指令及RISC
一.流水线1. 概念:处理器按照一系列步骤来执行每一条指令.典型的步骤如下:1) 从存储器读取指令(fetch).2) 译码以鉴别它是那一类指令(dec).3) 从寄存器堆取得所需的操作数(reg).4) 将操作数进行组合以得到结果或存储器地址(ALU).5) 如果需要,则访问存储器以存取数据(mem).6) 将结果写回到寄存器堆(res).并不是所有的指令都需要每一个步骤,但是,多数指令需要其中的多数步骤.这些步骤往往使用不同的硬件功能,例如,ALU 可能只在第四步中用到.因此,如果一条指令不是在前一条结束之前就开始,那么在每一个步骤内处理器只有少部分的硬体被使用. 有一个明显的方法可以改善硬件资源的使用率和处理器的吞吐量,这就是在当前指令结束之前就开始执行下一条指令.该技术被称为流水线,是在通用处理器中采用并行算法且非常有效的途径.采用上述操作顺序,处理器可以这样来组织:当一条指令刚刚执行完步骤1并转向步骤2时,下一条指令就开始执行步骤1.图1.13说明了这个过程.从原理上来说,这样的流水线应该比没有重叠的指令执行快6倍,但实际上事情并没有这么好,下面我们将会看到原因.123 指令时间图1.13 流水线的指令执行2. 流水线中的冒险要点：后一条指令要用到前一条指令。
在典型的计算机程序中经常会遇到这样的情形,即一条指令的结果被用做下一条指令的操作数.当这种情形发生时,图1.13所示的流水线操作就中断了,因为第一条指令的结果在第二条指令取操作数时还没有产生.第二条指令必须停止,直到结果产生为止.这是流水线的行为如图1.14所示.这是流水线的”写后读”冒险(hazard).1.2.图 1.14 先写后读的流水线冒险转移指令更会破坏流水线的行为,因为后续指令的取指步骤受到转移目标计算的影响,因而必须推迟.不幸的是,当转移指令正在被译码时,在它被确认为是转移指令之前,后续的取指操作就发生了.这样一来,读取到的指令就不得不丢弃.如果转移目标计算是在图1.13中流水线的ALU阶段完成的,那么,在得到转移目标之前已经有3条指令按照原有的指令流读取(见图 1.15).如果有可能,最好早一些计算转移目标,尽管这可能需要专门的硬件.如果转移指令具有固定的格式,那么可以(也就是说在确认该指令是转移指令之前)在dec阶段预测计算转移目标,从而将转移的执行时间减少到单个周期.但是要注意,由于条件转移与前一条指令的条件码结果有关,在这个流水线中还会有条件转移的冒险.一些RISC体系结构(尽管不是ARM)规定,不管是否进行了转移,转移之后的指令都要执行.这个技术称为延迟转移.1 (转移)2345(转移目标)指令时间图1.15 流水线的转移行为3.流水线效率尽管有些技术可以减少这些流水线问题的影响,但是,不能完全消除这些困难.流水线越深(就是流水线的级数越多),问题就说严重.对于相对简单的处理器,使用3~5即流水线效果会更好.但是,超过了这个级数,收益递减的法则开始生效,增加的成本和复杂度将超过收益.例：ARM7 3级流水线ARM9 是5级ARM10是6－7级StrongArm是5级显然,只有当所有指令都依相似的步骤执行时,流水线才能带来好处.如果处理器的指令非常复杂,每一条指令的行为都与下一条指令不同,那么就很难用流水线实现.1980年,因为有限的硅资源,有限的设计资源,以及设计一个复杂指令集的流水线的高度复杂性,当时的复杂指令集微处理器没有采用流水线.二.精简指令计算机1.RISC体系结构1)固定的(32位)指令长度,指令类型很少.而CISC处理器指令集的长度一般可变,指令类型也很多.2)Load-Store结构,数据处理指令访问寄存器,与访问存储器的指令是分开的.而CISC处理器一般允许将存储器中的数据作为数据处理指令的操作数.3)由32个32位寄存器构成大的寄存器堆(register bank),其中所有的寄存器都可以用于任何用途,以使Load-Store结构有效的工作.虽然CISC寄存器集也加大了,但是没有那么大,而且大都是不同的寄存器用于不同的用途(例如,Motorola公司MC68000的数据寄存器和地址寄存器).这些差别极大的简化了处理器的设计,使设计者在实现体系结构时可以采用以下这些对提高原型机性能由很大作用的,组织方面的特点.2、RISC的组织@流水线执行.而CISC处理器即使有,也只允许在连续指令间有极少的重叠(尽管它们现在允许).@单周期执行.而CISC处理执行1条指令一般需要多个时钟周期.3、R ISC的优点.4)管芯面积小.简单的处理器需要的晶体管少,需要的硅片面积也小.因此,整个CPU在工艺技术发展的较早阶段即可在一个芯片内.一旦技术发展超过这一阶段,RISC CPU就能剩下更多的面积用于实现可以提高性能的功能部件,例如高速缓存,存储器管理和浮点硬件等等.5)开发时间短简单的处理器会占用较少的设计力量,因而设计费用低.它还会更好地投放市场时的工艺技术相适应(因为开发周期越短,越容易在开发时预测工艺技术的发展).6)性能高.这个优点比较微妙.前面两条优点容易接受,但看看我们周围,高性能总要通过不断增加复杂度来实现,说RISC有高性能的优点有些使人难以接受.可以来这样看这个问题:较小的东西具有较高的自然频率(昆虫煽动翅膀的频率高于小鸟,小鸟山东翅膀的频率高于大鸟等等),所以,简单的处理器应该容许较高的时钟频率.让我们来设计一个复杂的处理器,但开始时先设计一个简单的,然后每次增加一条复杂的指令,都会使某些高级的功能更有效率,但是,它也会降低所有指令所用的时钟频率.我们可以度量对于典型程序总的得失.当我们这样做的时候,会发现所有复杂的指令都使程序执行变慢了.因此,我们坚持最初的简单处理器.使用 3 阶段流水线的例子。