指令系统、流水线

指令系统

分类

寻址方式

设计

能够改变控制流的指令：分支、跳转、过程调用、过程返回

操作码设计

MIPS

流水线

MIPS流水线

改进后

取指（IF）

译码（ID）

执行（EX）

存储器访问

寄存器-寄存器 ALU

寄存器-立即值 ALU

分支

访存（MEM）

Load/Store

分支

写回（WB）

性能分析

吞吐率（TP）

单位时间流水线完成的任务数或输出的结果数

实际吞吐率

效率

相关

结构相关

某些指令组合在流水线中重叠执行时，产生资源冲突

解决方案：指令和数据分离；添加“气泡”

数据相关

指令在流水线中重叠执行时，流水线可能改变指令读/写的顺序，使得读/写的操作顺序不同于非流水线的实现顺序

分类

• 写后读相关（RAW）
• 写后写相关（WAW）
• 读后写相关（WAR）

定向技术（旁路/短路）

流水线锁

插入暂停周期

流水线调度（指令调度）

编译器重新组织代码顺序消除暂停

控制相关

分支指令带来的暂停

减少流水线处理分支指令时的暂停时钟周期数有如下两种途径：

• 在流水线中尽早地判断出分支转移是否成功。
• 尽早地计算出分支转移成功时的PC值（即分支的日标地址）。

延迟分支

向量处理机

向量处理方式

• 水平处理方式
• 垂直处理方式
• 分组处理方式