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Lecture 8.1 | The Processor-Part2

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Part1是单周期处理器

这次开始将流水线处理器

考试相关

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不用手写

Pipelining Analogy

用洗衣指令为例

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Five stages

五级流水线的五个阶段

Five stages, one step per stage

  1. IF: Instruction fetch from memory
  2. ID: Instruction decode & register read
  3. EX: Execute operation or calculate address
  4. MEM: Access memory operand
  5. WB: Write result back to register

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  • CPI is decreased to 1,
    • since one instruction will be issued (or finished) each cycle.
    • During any cycle, one instruction is present in each stage

任意一个cycle内，都有5个stage同时允许，相当于CPI=1

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实际上，流水线并没有加速每条指令的响应时间，而是处理器的吞吐量。

两大评价指标；响应时间，吞吐量

流水线最大的难点是控制，这也是我们学习的重点

Hazards

冒险

  • Structure hazards
    • 一个组件不能被同时被两个指令同时利用
    • A required resource is busy
  • Data hazard
    • Need to wait for previous instruction to complete its data read/write
    • 这时就会卡住
  • Control hazard
    • Deciding on control action depends on previous instruction

都是前面没运行完的指令正好占用了后面指令需要的东西

Data Hazards

An instruction depends on completion of data access by a previous instruction

就c=a+b，e=c-d

但是加法没算完减法又来了，导致减法用的是未更新的c

依赖关系

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解决方案 —— Forwarding (aka Bypassing)

Use result when it is computed Don’t wait for it to be stored in a register

Requires extra connections in the datapath

就是在存入内存前就先交给下一条线用

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当然这个不是万能的，下面是一个典型的无法被解决的场景

这时就必须要停下，这叫做stall

实际设计中我们就尽量避免这样的场景出现

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写指令时就避免stall的出现

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考试会考，让你判断是否有hazard，哪里有hazard，怎么避免hazard

还有个例子

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我们不想总是卡顿，有一种解决方案是预测

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