五段式指令流水线

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机器周期的设置

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

• 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：

运算类指令举例	指令的汇编格式	功能
加法指令（两个寄存器相加）：	ADD Rs,Rd	(Rs)+(Rd) → Rd
加法指令（寄存器与立即数相加）：	ADD #996,Rd	996+(Rd) → Rd
算数左移指令：	SHL Rd	(Rd)<<<2 → Rd

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

• 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：

指令的汇编格式	功能
LOAD Rd,996(Rs)	(996+(Rs))→Rd
或简写为：LOAD Rd,mem	(mem)→Rd

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

• 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

指令的汇编格式	功能
STORE Rs,996(Rd)	Rs → (996+(Rd))
或简写为：STORE Rs,mem	Rs → (mem)

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）

• 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：

指令的汇编格式	功能
beq Rs, Rt, #偏移量	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
bne Rs, Rt, #偏移量	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

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）

• 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

指令的汇编格式	功能
jmp #偏移量	(PC)+指令字长+(偏移量×指令字长)àPC

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。

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