四流水线中的相关与冲突

流水线只有连续不断地流动，不出现断流，才能获得高效率。

如果处理不当，使流水线产生“断流”，就会使流水效率显著下降。

流水过程中因为相关问题而产生冲突，是导致流水线断流的主要原因。

一般来讲，流水线的相关主要分为以下三种类型。

1. 结构相关结构相关是指当指令在重叠执行过程中，硬件资源满足不了指令重叠执行的要求，两条或两条以上指令争用同一资源而引起的冲突，因此，结构相关又称为资源相关。

例如，假设一条指令流水线由5段组成，分别为取指令（IF）、指令译码（ID）、取操作数（MEM）、执行运算（EX）和写寄存器（WR）。

该流水线的时空图如图8-12所示。

图8-12 5段指令流水线从图中可以看出，指令I2的取操作数和指令I4的取指令都需要访问存储器。

若机器中只有一个单端口存储模块，那么I2的取操作数和指令I4的取指令就产生了访存冲突，两个操作无法同时进行，这就是一种典型的资源冲突。

一种解决这种冲突的方法是在机器中增加存储器模块，如使用双端口存储器，使指令和数据分别存放在不同的存储器模块中，这样，取指令和取操作数就不会发生冲突。

另一种方法是，当发生取指令或取操作数冲突时，将其中一个操作的执行时间推迟，如图8-13所示。

当然，这样的话也就是发生了流水线的断流，流水线的吞吐率就下降了。

图8-13 访存相关引起流水线断流2. 数据相关当一条指令需要用到前面指令的执行结果，而这些指令均在流水线中重叠执行时，就有可能产生数据相关。

在流水计算机中，指令的处理是重叠进行的，前一条指令还没有结束，第二、三条指令就陆续地开始工作。

由于多条指令的重叠处理，当后继指令所需的操作数，刚好是前一指令的运算结果时，便发生数据相关冲突。

例如，某一时间以下3条指令在图8-12的流水线中执行。

ADD R1, R2, R3 ；（R2）＋（R3）→R1SUB R4, R1, R5 ；（R1）－（R5）→R4AND R6, R1, R7 ；（R1）∧（R7）→R6其中，SUB指令的EX段需要执行R1减R5，而同一时间，其上一条指令正在执行写结果到R1的操作。

第三章流水线技术知识点汇总先行控制、流水线、单功能流水线、多功能流水线、静态流水线、动态流水线、部件级流水线、处理机级流水线、处理机间流水线、线性流水线、非线性流水线、顺序流水线、乱序流水线、时空图、流水线性能评价（吞吐率、加速比、效率）、解决流水线瓶颈问题方法、相关（数据相关、名相关、控制相关）、换名技术、流水线冲突（结构冲突、数据冲突、控制冲突）、流水线互锁机制、定向技术、指令调度、预测分支失败、预测分支成功、延迟分支（从前调度、从失败处调度、从成功处调度）、流水寄存器、3种向量处理方式（横向、纵向、纵横）、链接技术。

简答题1.流水技术有哪些特点？（答出4个即可）（知识点：流水线）答：1.将处理过程分解为若干子过程，由专门的功能部件来实现，2各段的时间尽可能相等，3各部件间都有一个缓冲寄存器，4适用于大量重复的时序过程，5需要通过时间和排空时间。

2.什么是静态流水线？什么是动态流水线？（知识点：静态流水线、动态流水线）答：同一时间段内，多功能流水线中的各段只能按同一种功能的连接方式工作；同一时间段内，多功能流水线中的各段可以按照不同的方式连接同时执行多种功能。

3.什么是单功能流水线？什么是多功能流水线？（知识点：单功能流水线、多功能流水线）答：只能完成一种固定功能的流水线。

流水线的各段可以进行不同的连接，以实现不同的功能。

4.什么是线性流水线？什么是非线性流水线？（知识点：线性流水线、非线性流水线）答：流水线的各段串行连接，没有反馈回路。

流水线中除了有串行的连接外，还有反馈回路。

5.列举3种相关。

（知识点：相关）答：数据相关，名相关，控制相关。

6.流水线中有哪三种冲突？各是什么原因造成的？（知识点：流水线冲突）答：结构冲突，硬件资源满足不了指令重叠执行的要求；数据冲突，指令在流水线中重叠执行时需要用到前面指令的执行结果；控制冲突，流水线遇到分支指令和其他会改变PC值的指令。

7.选择至少2种解决流水线结构冲突的方法简述。

2.按功能分
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。

IF
ID
IF
EX
MEM
WB
IF ID IF EX ID IF MEM EX ID IF WB MEM EX ID WB MEM EX
stall stall
3、控制冲突

由分支指令引起的延迟称为分支延迟。 分支指令在目标代码中出现的频度很高，性能 损失很大。

据统计，每3～4条指令就有一条是分支指令。 假设：分支指令出现的频度是30％， 流水线理想 CPI＝1， 那么：流水线的实际 CPI ＝ 1.9。系统性能损失将 近50%！
分支指令 分支目标指令 分支目标指令+1 分支目标指令+2 分支目标指令+3 IF ID IF EX MEM WB IF ID IF EX ID IF MEM EX ID IF WB MEM EX ID WB MEM EX
stall stall
简单处理分支指令：分支失败的情况
分支指令
分支后继指令 分支后继指令+1 分支后继指令+2 分支后继指令+3
将计算结果写入R1
6
7
8
9
MEM WB EX MEM ID IF EX ID IF
WB MEM WB EX MEM WB ID EX MEM
读R1
WB
（1）数据相关冲突的3种类型

根据指令读访问和写访问的顺序，可以将数据 冲突分为3种类型： 考虑两条指令i和j ，且i在j之前进入流水线， 可能发生的数据冲突有：
写后读冲突（RAW）：在 i 写入之前，j 先去读。
j 读出的内容是错误的。这是最常见的一种数据
冲突，它对应于真数据相关。
数据相关冲突的3种类型
写后写冲突（WAW）：在 i 写入之前，j 先写。最

1、指令流水线中主要有结构相关、数据相关、控制相关。

相关影响流水线性能。

程序中出现的数据相关lbu r3,0x0(r2)需要在WB周期才能将值写入r3里，而后续的指令seqi r5,r3,0x0a在intEx周期里读取r3寄存器的值，发生了读写相关。

正常它的执行阶段需要等待上一条指令将值写入r3后才能读r3寄存器的值，所以为了避免冲突，这里我们采用定向技术，在发生数据相关时，等待前面计算结果的指令并不一定真的马上就用到该计算结果，如果能够将该计算结果从其产生的地方直接送到其他指令需要它的地方，就可以避免暂停。

程序中出现的控制相关Movi2fp f10,r1在IF指令周期后为aborted。

原因在于：第二条指令jal InputUnsigned为无条件转移指令，但是只有在该指令译码的时候才可以知道转移的位置。

但是此时Movi2fp f10,r1指令已经取出，所以需要将该指令流水清空，由于是刚执行了IF指令，所以只需要重新取新的指令就可以了。

程序中出现的结构相关由于以上指令add r1,r1,r3的intEx的执行延迟了4个指令周期，所以addi r2,r2,0x1指令就不能在add r1,r1,r3的intEx的执行前进入ID指令译码的执行。

所以这里出现了指令译码器的争用。

因而发生了结构相关。

2、考察增加浮点运算部件对性能的影响下面两组数据来自Statistics窗口，都是5的阶乘，分别是运算部件设置为一个，运算部件设置为两个的数据统计。

通过比较可以发现，这两组数据在性能统计上是一样的。

所以增加浮点运算部件对性能的影响没有什么影响（对于该程序而言）。

3、考察增加forward部件对性能的影响左右分别是采用forwarding和没有采用forwarding部件的统计效果。

性能比较必须是计算同一个值的时候。

通过比较发现，采用forwarding 技术，总的周期数为95次，暂停了31次。

而没有采用forwarding 技术则总的周期数为112次，暂停了49次。

电子科技大学网络教育考卷（A1卷）(20 年至20 学年度第 学期)考试时间 年 月 日(90分钟) 课程 计算机系统结构 教师签名[注意：所有题目的答案均填涂在答题卡上，写在本试卷上的答案无效]一、填空题（将下列各题正确的答案填入下面的括号中，每空1分，共20分。

）1. 1. Flynn 分类法是按指令流和数据流的不同组织方式，将计算机系统结构分为（SISD 单指令流单数据流）、（SIMD 单指令流多数据流）、（MISD 多指令流单数据流）、（ MIMD 多指令流多数据流 ） 四类。

2. 流水线冲突有三种类型：（结构冲突 ）、（数据冲突 ）、（控制冲突 ）。

3. 衡量流水线性能的主要技术指标是（ 吞吐量 ）、（ 加速比）和（效率）。

4. 从用户的角度来看，存储器的三个主要指标是：（ 容量）、（速度）和（ 价格 ）。

5. 对向量的处理有（水平处理）、（垂直处理）和（ 分组处理）三种方式。

6. Cache 的地址映象规则有三种：（直接映象）、（ 组相连映象）和（全相连映象），其中（ 全相连映象 ）的冲突率最低。

二、名词解释（每词3分，共15分）1. 程序局部性原理：1. 程序执行时所访问的存储器地址分布不是随机的，而是相对地簇聚。

程序往往重复使用它刚刚使用过的数据和指令。

2. 相关：2. 两条指令之间存在某种依赖关系。

如果两条指令相关，则它们就有可能不能在流水线中重叠执行或者只能部分重叠执行。

3. TLB ：3. 地址变换缓冲器，是一个专用的高速缓冲器，用于存放近期经常使用的页表项，其内容是页表部分内容的一个副本。

4. 通道处理机：4. 能够执行有限I/O 指令，并且能够被多台外围设备共享的小型DMA 专用处理机。

5. 动态拓扑结构5. 根据需要设置互连网络中的开关，从而对结点之间的连接通路进行重新组合，实现所要求的通信模式。

三、问答题（每题5分，共25分）1. 从计算机语言的角度，把计算机系统层次按功能划分哪几级结构？ 1.2. 简述RISC 的优缺点。

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。

四种不同的数据相关
• 两条指令i 和j，都会访问同一寄存器R， 假设i 先进入流水线，则它们对R有四种不 同的访问顺序： • (1)写后读(RAW )——i写j读
–如果j 在i 完成写之前从R 中读出数据，将得 到错误的结果！ –最常见的数据相关，严重制约了CPU的性能， 是程序最重要的特征之一！
1
2
2
3 … … n-1 n
时间
3 … … n-1 n (n-1) Dt
3 … … n-1 n
mD t
nDt
T
(m-1)Dt

• 相关的概念
–现代汉语词典 • 彼此关连;互相牵涉 –流水线中的相关 • 指相邻或相近的两条指令因存在某种关联， 后一条指令不能在原指定的时钟周期开始执 行。
• 三种相关
• 资源相关（又称结构相关）
流水线技术——DLX流水线数据通 路
(IF) (ID) (EX) (MEM)
(WB)
IF
ID EX MEM WB
• 性能指标
– 吞吐率（TP, Thoughput Rate） – 加速比（Speed Ratio） – 效率（Efficiency）
空间
S4 1 2 3 … … n-1 n
S3
S2 S1 1 1 2
流水线技术——DLX流水线数据通 路
(IF) (ID) (EX) (MEM)
(WB)
• • • •
通过定向技术减少数据相关带来的暂停 定向(forwarding)，也称为旁路(bypassing) 工作过程 主要思路：将计算结果从其产生的地方直 接送到真正需要它的地方，就可以避免暂 停。
–寄存器文件EX/MEM中的ALU运算结果总是回送 到ALU的输入寄存器 –从定向通路得到输入数据的ALU操作不必从源 寄存器中读取操作数

计算机体系结构
3.4 流水线的相关
例如：考虑下述代码： DIV.D F2，F6，F4 ADD.D F6，F0，F12 SUB.D F8，F6，F14 DIV.D和ADD.D存在反相关。 进行寄存器换名（F6换成S）后，变成： DIV.D F2，F6，F4 ADD.D S，F0，F12 SUB.D F8，S，F14

2.
北京信息科技大学
计算机体系结构
3.4 流水线的相关


指令j与指令i之间的名相关有两种：
反相关：如果指令j写的名与指令i读的名相同，则 称指令i和j发生了反相关。
指令j写的名＝指令i读的名

输出相关：如果指令j和指令i写相同的名，则称指 令i和j发生了输出相关。
指令j写的名＝指令i写的名
北京信息科技大学
计算机体系结构
3.4 流水线的相关

数据相关 对于两条指令i（在前，下同）和j（在后，下同），如 果下述条件之一成立，则称指令j与指令i数据相关。 指令j使用指令i产生的结果； 指令j与指令k数据相关，而指令k又与指令i数据相关。 数据相关具有传递性。 数据相关反映了数据的流动关系，即如何从其产生者流 动到其消费者。


北京信息科技大学
计算机体系结构
3.4 流水线的冲突
由于访问同一个存储器而引起的结构冲突 北京信息科技大学
计算机体系结构
3.4 流水线的冲突
为消除结构冲突而插入的流水线气泡 北京信息科技大学
计算机体系结构
3.4 流水线的冲突
引入暂停后的时空图 指令编号 1 指令i 指令i+1 指令i+2 指令i+3 指令i+4 指令i+5 IF 2 ID IF 3 EX ID IF 4 MEM EX ID stall 时钟周期 5 WB MEM EX IF WB MEM ID IF WB EX ID IF WB MEM EX ID WB MEM EX WB MEM 6 7 8 9 10

流水线的相关与冒险
通过定向技术减少数据冒险引起的停顿
（定向技术也称为旁路或短路）

关键思想：在某条指令产生计算结果之前，其他指 令并不真正立即需要该计算结果，如果能够将该计 算结果从其产生的地方直接送到其他指令需要它的
地方，那么就可以避免停顿。

采用定向技术消除上例中的相关 工作过程演示
流水线的相关与冒险
指令i 指令i+1
指令i+2 指令i+3 指令i+4 指令i+5
IF
ID IF
EX ID
IF
MEM EX
ID stall
WB MEM
EX IF
WB
MEM ID IF WB EX ID IF WB MEM EX ID WB MEM EX WB MEM
流水线的相关与冒险
有时流水线设计者允许结构冒险的存在
写回周期（WB）
ALU运算指令和load指令在这个周期把结果 数据写入通用寄存器组。
ALU运算指令：结果数据来自ALU。 load指令：结果数据来自存储器系统。
在这个实现方案中：

分支指令需要4个时钟周期（如果把分支指令的执行 提前到ID周期，则只需要2个周期）。 store指令需要4个周期。 其他指令需要5个周期才能完成。
指令j写的名＝指令i写的名
流水线的相关与冒险

名相关的两条指令之间并没有数据的传送。
如果一条指令中的名改变了，并不影响另外一条指
令的执行。
换名技术

换名技术：通过改变指令中操作数的名来消除名相关。
对于寄存器操作数进行换名称为寄存器换名。
既可以用编译器静态实现，也可以用硬件动态完成。

实验2_流⽔线及流⽔线中的冲突西安邮电⼤学（计算机学院）课内实验报告实验名称：流⽔线及流⽔线中的冲突专业名称：计算机科学与技术班级：学⽣姓名：学号（8位）：指导教师：实验⽇期：实验2 流⽔线及流⽔线中的冲突2.1 实验⽬的（1）加深对计算机流⽔线基本概念的理解。

（2）理解MIPS结构如何⽤5段流⽔线来实现，理解各段的功能和基本操作。

（3）加深对数据冲突和资源冲突的理解，理解这两类冲突对CPU性能的影响。

（4）进⼀步理解解决数据冲突的⽅法，掌握如何应⽤定向技术来减少数据冲突引起的停顿。

2.2 实验平台指令级和流⽔线操作级模拟器MIPSsim。

2.3 实验内容和步骤（1）启动MIPSsim。

（2）根据教材中关于流⽔线各段操作的描述，进⼀步理解流⽔线窗⼝中各段的功能，掌握各流⽔寄存器的含义。

（⿏标双击各段，即可看到各流⽔寄存器的内容）（3）载⼊⼀个样例程序（在本模拟器所在⽂件夹下的“样例程序”⽂件夹中），然后分别以单步执⾏⼀个周期、执⾏多个周期、连续执⾏、设置断点等⽅式运⾏程序，观察程序的执⾏情况，观察CPU中寄存器和存储器内容的变化，特别是流⽔寄存器内容的变化。

（4）选择配置菜单中的“流⽔⽅式”选项，使模拟器⼯作于流⽔⽅式下。

（5）观察程序在流⽔⽅式下的执⾏情况，步骤如下：1)选择“⽂件”→“载⼊程序”，加载pipeline.s（在模拟器所在⽂件夹下的“样例程序”⽂件夹中）。

2)选择“配置”→“定向”（使该项前没有“√”），关闭“定向功能”。

3)选择单步执⾏⽅式（在“执⾏”菜单中）或按F7来执⾏该程序，观察每⼀个周期中，各段流⽔寄存器内容的变化、指令的执⾏情况（“代码”窗⼝）以及时钟周期图。

4)当执⾏到第13个周期是，各段分别正在处理的指令是：IF：LW $r4, 60, ($r6)ID：ADDI $r3, $r0, 25EX：ADDI $r1, $r1, -1MEM：ADDI $r6, $r0,8WB：ADD $r2,$r1,$r0画出此时的时钟周期图。

计算机体系结构流水线冲突与乱序执行的解决方法在计算机体系结构中，流水线是一种有效提高指令处理速度的技术。

然而，流水线执行过程中可能会出现冲突和乱序执行的问题。

本文将探讨流水线冲突的原因以及相应的解决方法。

一、流水线冲突的原因在流水线中，冲突主要由以下几个因素引起：1. 结构冲突：当多个指令需要同时访问同一个计算资源，比如存储器或者寄存器时，产生结构冲突。

这会导致流水线阻塞，降低执行效率。

2. 数据冲突：数据相关性是指指令间存在的数据依赖关系。

当某个指令需要等待上一条指令的执行结果时，就会发生数据冲突。

数据冲突分为读后写、写后读和写后写三种类型。

3. 控制冲突：当分支指令的判断结果还未确定时，指令执行流程可能发生改变。

这会导致原本在流水线中已经执行的指令无效，需要清空掉重新执行，造成控制冲突。

二、解决结构冲突的方法针对结构冲突，可以采取以下几种解决方法：1. 资源冲突解决：通过增加计算资源的数量来解决结构冲突。

比如增加缓存的容量、加大寄存器的数量等。

这样可以减少多个指令竞争同一资源的情况。

2. 指令重排解决：在源代码级别上进行指令重排，通过调整指令的顺序来避免结构冲突。

这一般需要编译器的支持，通过静态分析源代码并进行优化。

三、解决数据冲突的方法对于数据冲突，有以下几种解决方法：1. 数据旁路解决：当一个指令需要等待上一条指令的执行结果时，可以通过数据旁路的方式将上一条指令的结果直接传递给下一条指令，避免流水线的停顿。

2. 数据预测解决：对于分支指令引起的数据冲突，可以采用数据预测的方法来预测分支的结果。

如果预测正确，可以顺利执行；如果预测错误，则需要清空流水线并重新执行。

四、解决控制冲突的方法针对控制冲突，可以采取以下几种解决方法：1. 预测解决：通过对分支指令进行预测，尽可能准确地预测分支结果，从而减少控制冲突。

常用的预测方法有静态预测和动态预测。

2. 延迟解决：在流水线中引入延迟槽，即在分支指令后面放置几条无关紧要的指令，以填充流水线的空闲时间。

流水线的工作原理
流水线的工作原理是将一个任务拆分成多个子任务，并由多个处理单元按照顺序进行并行处理，从而实现提高任务处理效率的目的。

具体来说，流水线工作原理分为以下几个步骤：
1. 任务拆分：将一个任务分解成多个子任务，每个子任务具有一定的独立性，可以并行处理。

2. 指令执行阶段划分：将每个子任务划分为不同的阶段，每个阶段需要不同类型的处理单元进行处理。

3. 并行处理：每个处理单元在每个阶段对应的子任务上进行处理，各个处理单元同时工作，形成并行处理的效果。

4. 流水线寄存器：流水线中的每个阶段之间通过流水线寄存器进行数据传输，保证各个阶段之间的数据同步。

5. 流水线冲突处理：由于流水线中各个阶段同时进行，可能会出现数据相关等冲突，需要通过添加硬件逻辑或进行优化来解决这些冲突，以保证流水线的正常工作。

6. 结果合并：当所有子任务完成处理后，将各个处理单元输出的结果合并得到最终的任务结果。

通过以上步骤，流水线能够将一个任务分解并并行处理，充分利用硬件资源，提高任务处理的效率和速度。

但是流水线也会因为流水线寄存器的引入，导致任务执行速度下降，同时需要处理冲突问题，因此需要根据具体情况进行流水线设计和优化。

18
发生流水线冲突的例子
数据 未准 备好 冲突
在流水线的寻址 阶段生成地址
冲突
数据未准备好
在流水线的执行 阶段进行写操作
解决 无等待周期问题
19
总线 冲突
在流水线的 发生流水线冲突的例子 执 行 阶 段 进
行写操作
冲突
同时利用E总线
读数阶段 将 常 数 10 写到AR1
解决
新冲突
数据未准备好
CPU自动地 将STM的写 操作延迟 一个周期
1
预取指P 取指F 译码D 寻址A 读取操作数R 执行X
流水线操作
在第一个机器 周 期 用 PC 中 的 内容加载PAB
在第二个机器周 期用读取到的指 令字加载PB。
第三个周期用PB的内容加载 指令寄存器IR，对IR内的指 令进行译码，产生执行指令 所需要的一系列控制信号。 2
流水线操作
预取指P 取指F 译码D 寻址A 读取操作数R 执行X
插入1个 所有其它存储指令 包括EXP
所有其它存储指令 令
SXM C16 FRCT OVM A 或B
在RPTB[D]前读 BRC
所有存储指令 包括SSXM和RSXM
修改累加器然后读 MMR
STM # lk，BRC
所有其它存储指令
ST # lk，BRC
MVDK Smem，BRC
MVMD MMR，BRC
利用前半周期 利用前半周期 利用后半周期 利用后半周期
14
CPU同时访问DARAM的同一存储器块就会发生时 序上的冲突的情况：
同时从同一存储器块中取指和取操作数（都在 前半个周期）；
同时对同一存储器块进行写操作和读（第二个 数）操作（都在后半周期）。

插入阻塞对于流水线来说仍然是暂停了流水 线的执行。既然转发技术无法消除指令序列 中所包含的这种暂停，那么能否让编译器在 进行代码生成时就消除这些潜在的暂停呢？ 实际上，编译器的确可以通过重新组织代码 顺序来消除这种暂停。通常称这种重新组织 代码顺序消除暂停的技术为 指令调度 （instruction scheduling）。 原理：相关不一定引起阻塞，只要隔开足够 远•在一个流水线上引起阻塞，在另一个流水 线上不一定引起阻塞，编译优化与机器有关
ID 段 Reg EX 段 MEM 段 DM WB 段 Reg
IF 段 IM
流水线寄存器
13
ALU
2.3 数据冒险

一条指令必须等到另一条指令的完成而造成 的流水线暂停的情况叫做数据冒险。形如： add $s0, $t0, $t0 sub $t2, $s0 $t3 加法指令需要到WB阶段后才写回结果，减法 指令此时才可以继续执行。在不任何干预的 情况下，流水线白白浪费了三个时钟周期。
Can’t happen in MIPS 5 stage pipeline because: - All instructions take 5 stages, and - Writes are always in stage 5
18
读后写冲突（WAR: Write After Read）
在 i 读之前，j 先写。i 读出的内容是错误的！ 这对应“反相关” ，寄存器换名技术可以消 除
转发（旁路）方式解决数据冒险
形如：add $s0, $t0, $t0 sub $t2, $s0 $t3，减法指令要等到加 法指令写回寄存器堆时才可以执行指令，浪 费了时间。转发技术：在加法指令在ALU运 算一结束就将结果送给减法指令的输入项。 这样从内部资源中直接提前得到缺少的运算 项的过程叫做转发。

流水线注意事项
以下是流水线的一些注意事项：
1. 程序依赖：流水线上的指令需要按照正确的顺序执行，因为后续指令可能依赖于之前指令的结果。

如果指令顺序不正确，可能会导致程序逻辑错误。

2. 数据冲突：流水线上的指令之间可能存在数据冲突，包括读后写冲突（RAW）、写后读冲突（WAR）和写后写冲突（WAW）。

这些冲突可能会导致预测错误或者结果错误。

3. 管道阻塞：流水线中的某个阶段可能由于数据冲突、分支预测失败等原因导致阻塞，导致整个流水线停滞。

这可能会降低流水线的性能。

4. 分支预测：流水线中的分支指令可能会导致流水线的预测错误，从而导致之后的指令无效。

为了减少预测错误的影响，可以采用分支预测策略，如静态预测、动态预测等。

5. 异常处理：流水线中的异常指令可能会在执行过程中触发异常，如除零、越界等。

需要设计相应的异常处理机制来正确处理这些异常情况。

6. 资源冲突：流水线中的某些阶段可能需要共享一些硬件资源，如寄存器、缓存等。

如果多个指令同时需要使用同一个资源，可能会导致资源冲突，需要采取
合适的调度策略来避免冲突。

7. 指令冗余：流水线中的一些指令可能是无效的，如跳转指令的目标条件不满足时，后续的指令就是无效的。

需要采取相应的方法来减少这种冗余。

8. 性能评估：设计流水线时，需要进行性能评估来确定流水线的吞吐量、延迟等指标。

这将有助于优化设计和调整流水线参数。

这些注意事项在设计和优化流水线时需要考虑，以确保流水线的正确性和性能。

汽车生产流水线中的安全风险点识别与处理在汽车行业中，生产流水线是非常重要的环节，它以高效率和连续性而闻名。

然而，这些流水线也伴随着一定的安全风险。

由于流水线上的设备和物料流动频繁，一旦发生意外事故，可能会对工人的生命安全和设备的正常运行造成严重影响。

因此，识别和处理生产流水线中的安全风险点是至关重要的。

本文将探讨在汽车生产流水线中常见的安全风险点，并提供有效的处理方法。

一、机械设备的安全问题生产流水线上的机械设备是汽车生产的核心。

然而，这些设备的运行也是工人们面临的主要危险之一。

首先，要确保设备的正常维护和保养，定期检查和更换磨损的零部件，以避免因设备故障导致事故发生。

其次，要严格按照操作规程进行操作，避免在设备运行时做出危险动作，如伸手进入设备运行区域。

另外，应加强培训，确保工人掌握设备操作的专业知识和技能，提高工人对设备运行状态的观察和判断能力。

二、物料运输的安全问题在汽车生产流水线上，物料的运输是不可或缺的一环。

然而，不正确的物料运输方式可能引发安全事故。

首先，要确保物料运输设备的稳定性和安全性，如运输车辆的制动系统和悬挂系统需要经常检查和保养，以确保其正常运行。

其次，要合理规划物料存放和运输的路径，避免与人员和设备产生冲突，例如设置物料运输通道和警示标志。

此外，应加强对物料运输人员的培训和考核，提高他们的意识和能力，确保按照规定的操作流程进行工作。

三、工人的个人安全问题在汽车生产流水线上，工人是最直接面对安全风险的人员。

他们需要在高压环境下工作，处理复杂的工艺流程，因此他们面临着多种安全风险。

首先，要确保工人配备适当的个人防护装备，如安全帽、防护眼镜、手套等。

其次，要定期进行职业健康检查，及时发现和处理与工作环境相关的健康问题。

另外，应加强对工人的安全培训，提高他们对潜在危险的识别和防范能力，增强安全意识。

四、紧急情况的应急预案无论我们对生产流水线的安全措施再完善，总会有不可预测的紧急情况发生。