第四章 流水线技术

流⽔线技术概述本⽂是对流⽔线技术地基本概念、冒险处理、硬件实现的基本概述。

⾸先我们介绍流⽔线的⼯作原理、组成要求、分类和性能指标，接下来讨论流⽔线的冒险处理，最后我们以MIPS为例，介绍流⽔线数据通路和控制器的实现。

⽬录1. 流⽔线概念针对串⾏执⾏过程中的冗余和瓶颈，我们提出，可以将指令执⾏过程划分为多个阶段，各个阶段可以同时处理操作，这样，每条指令按序通过各段，不同指令的执⾏过程重叠，得到的就是流⽔线。

流⽔线由多个功能段按序组成。

例如，在RISC中，通常包括IF,ID,EX,MEM,WB五个功能段，⽽在CISC中，通常包括IF,ID,OF,EX,WB五个功能段。

理想状况下，流⽔线可以对程序执⾏起到显著的加速作⽤。

例如，有n条指令在m段流⽔线上执⾏，串⾏执⾏的时间为mnt，⽽采⽤流⽔线后，其执⾏时间为(m+n-1)t。

流⽔线在组成上，有三个基本要求。

第⼀，各个段的操作要相互独⽴、相互分离。

因此，每个段的源数据必须来⾃时序部件，结果也要存到时序部件。

实现上，我们设置段间寄存器，其中保存本段的所有后续段需要的本段的数据、地址、命令等。

第⼆，各个流⽔段的操作要同步执⾏。

实现上，我们会设置公共拍时钟，使得段间寄存器被同时写⼊。

拍时钟的周期需要取为各个段长的最⼤值。

第三，各个流⽔段的操作必须⽆冲突，以保证结果正确。

具体⽽⾔，就是消除冒险。

实现上，通过增设部件和控制器，来消除各种冒险。

流⽔线可以按其属性进⾏多种分类。

按处理的级别，可以分为操作级流⽔线、指令级流⽔线、处理机级流⽔线。

按功能，可以分为单功能和多功能流⽔线。

多功能流⽔线的各流⽔段可以进⾏不同的连接，从⽽完成不同的功能。

按⼯作⽅式，可以分为静态流⽔线和动态流⽔线。

静态流⽔线在进⾏功能切换时，必须排空。

显然，动态流⽔线⼀定是多功能流⽔线。

按结构，可以分为线性流⽔线和⾮线性流⽔线。

所谓⾮线性流⽔线，就是其中有部件的复⽤。

按流⼊流出的次序，可以分为顺序流⽔线和乱序流⽔线。

第四章生产过程组织的基本形式第一节大量生产过程组织形式一、流水生产( flow production )定义：劳动对象按照规定的工艺规程顺序地通过各个工作地，并按照一定的生产速度（节拍）连续不断地进行加工出产品的一种生产组织形式。

（一）流水线的基本特征1、流水线是按照对象专业化原则而设计的一种生产组织形式。

2、工作地专业化程度很高，每个工作地上完成一道或几道工序，工艺过程是封闭的，设备按工艺过程顺序排列；使用比较多的专用设备或工装。

3、生产节奏性强，按规定的节拍进行加工（这是区分其它形式的主要特点——如生产线）的一种高效率的生产形式，生产过程连续程度高，劳动对象在工序间采用平行或平顺移动方式。

4、各道工序的加工时间相等或成简单的倍数关系。

根据以上，可见组织流水生产可以提高生产过程的连续性、协调性和均衡性，便于采用先进工艺和高效率的技术装备，能提高工人的操作的熟练程度和劳动生产率，缩短生产周期，减少在制品的数量，加速资金周转，降低产品成本等。

（二）流水生产的发展过程流水生产起源于“福特制”，建立传送带式的流水生产线，是福特制的重要内容之一。

它把管理工作从单纯对人的制约（泰罗制的特点），发展到把人和机器联系起来，使工人更加成为机器的附属品。

同时从整体的观点出发协调各项作业、各道工序，大大提高了生产过程的连续性和节奏性，提高了劳动生产率，增加了产量，增加了企业的盈利。

由于流水线生产具有很大的优越性和明显的经济效果，所以在工业中越来越广泛地被采用，并且在内容和形式上不断地创新。

流水线开始出现时，采取单一对象流水线的形式，仅用于零件的机械加工和产品的装配，主要用于大量生产，后来逐步发展成为多对象流水线，扩大应用于成批生产类型的企业，并且在铸造、铸锻、热处理、油漆和包装（啤酒、饮料灌装、食品包装）等方面也得到了广泛应用。

成组技术的发展又为建立成组流水线准备了条件，为多品种小批生产的企业采用流水生产提供了可能性。

摘要流水线技术是提高系统吞吐率的一项强大的实现技术，并且不需要大量重复设置硬件。

20世界60年代早期的一些高端机器中第一次采用了流水线技术。

第一个采用指令流水线的机器是IBM7030（又称作Stretch计算机）。

后来的CDC 6600同时采用了流水线和多功能部件。

到了20世纪80年代，流水线技术成为RISC处理器设计方法中最基本的技术之一。

RISC设计方法的大部分技术都直接或者间接以提高流水线性能为目标。

从此以后，流水线技术也被有效地应用到CISC处理器的设计中。

Intel i486是IA32体系结构中的第一个流水线实现。

Digital的VAX和Motorola的M68K的流水线版本在商业上也取得了成功。

流水线技术是当前指令集处理器设计中广泛采用的技术。

在这里我们将重点放在（标量）流水线处理器的设计。

流水线处理器设计中的许多方法和技术，例如用于检测和化解相关的流水线互锁机制，都是标量处理器设计的基本方法。

当前的趋势是朝着超深度流水线的方向发展。

流水线的深度已经从不到10发展到超过20.深度流水是获得高速始终频率的必要条件，这是提高处理器性能的一个非常有效的方法。

有迹象表明。

这种趋势还将持续下去。

[关键词] 流水线技术猜测法中断处理吞吐率指令重叠加快短循环程序的处理AbstractPipeline technology is to improve the system throughput of a powerful technology, and does not require repetitive set hardware. The 20 world early 60's some high-end machines used the first pipeline technology. The first use of the instruction pipeline machine is IBM7030(also called Stretch computer ). Later CDC6600at the same time lines and multiple functional components.In the nineteen eighties, pipeline technology to become the RISC processor design method is one of the most basic techniques. The design method of RISC most of the techniques are directly or indirectly to improve performance as the goal line. Since then, assembly line techniques have also been applied effectively to the CISC processor. Intel i486 is IA32 architecture is the first in a pipelined implementation. Digital VAX and Motorola M68K pipelined version also achieved success in business.Pipeline technology is the current instruction set processor is widely used in the design of technology. Here we will focus on the ( scalar ) pipelined processor design. A pipelined processor in the design of many methods and techniques, for example, used to detect and resolve the relevant pipeline interlock mechanism, is a scalar processor design method.The current trend is towards super depth line direction. Pipeline depth has less than10 to the development of more than 20depth of water is always necessary to obtain high speed frequency, which is to improve the performance of a very effective method. There are signs. This trend will continue.Keywords: Pipeline technology forecast method of interrupt processing throughput instruction overlapping accelerate short cycle program processing目录第一章绪论 (5)1.1现代RISC中的流水线技术 (5)1.1.1超流水线技术 (5)1.1.2超标量技术 (4)1.1.3流水技术在Pentium系列微处理器中的实现 (6)第二章流水线基础 (8)2.1流水线概念 (8)2.1.1指令重叠 (9)2.1.2流水线 (10)2.1.3流水线的特点 (10)2.1.4流水线的分类 (11)2.2流水线的主要性能 (12)2.2.1吞吐率 (12)2.2.2加速比和效率 (13)第三章指令流水线设计 (14)3.1流水线理想假设 (14)3.1.1一致的运算分量 (14)3.1.2重复的运算 (15)3.1.3独立的运算 (16)3.2指令流水线 (17)3.2.1指令流水线设计 (17)3.2.2指令集体系结构的影响 (18)3.2.3流水线分级的考虑 (20)3.3流水线处理器设计 (20)3.3.1保持流水段均衡 (20)3.3.2统一指令类型 (21)3.3.3减少流水线停顿 (25)第四章流水线中各种相关及中断处理 (26)4.1流水线中相关 (26)4.2资源相关 (26)4.3数据相关 (27)4.3.1指令相关 (27)4.3.2主存空间操作数相关 (28)4.3.3通用寄存器组相关 (28)4.4控制相关 (31)4.4.1猜测法 (30)4.4.2加快和提前形成条件码 (31)4.4.3采取转移延迟 (31)4.4.4加快短循环程序的处理 (31)第五章中断处理与流水线调度 (32)5.1中断处理 (32)5.2流水线调度 (33)第六章总结与展望 (35)致谢 (41)参考文献 (38)第一章绪论流水线技术是提高系统吞吐率的一项强大的实现技术，并且不需要大量重复设置硬件。