2016-第3章-3-增加内容流水线处理器设计.ppt

　　 条件转移指令要判断Z标志是否能用。若Z标志还没有准备好，则还要暂停流水线一个时钟周期（类似数据相关暂停），但由于转移指令只可能改变PC而不改变其它状态，因此用不着封锁WZ，WMEM，WREG（对转移指令来讲，这些信号原本就为0）。 　　如果处在ID级的是条件转移指令，而且处在EXE级的是ALU类型的指令（就要写Z标志到流水线寄存器Z了），则要等到ALU指令写完Z后，再判断转移与否，为此要暂停一个周期。 条件转移指令与无条件转移指令有所不同（除了转移时废弃紧接其后的指令外）： 需要判断Z标志 根据Z决定转移还是不转移 * sub r1,1 sub r1 bne stall Zero? add or i r2,15 or r3 r2,1r3 add r5 Subi r1 , r1 , 1 Bne loop Ori r3 , r2 , 15 Loop : add r5 , r2 , r3 转移时，废弃该指令 WIR＝WPC＝ ＝ 　　EXE_instIsALU表示处在EXE级的是ALU指令。我们使用EXE_WREG来产生它，除了load指令，凡是向寄存器堆写结果的指令都是ALU类型的指令。图1.43给出了这部分的控制电路。 * 暂停逻辑条件： 图1．43 判断Z标志相关并暂停流水线 * 三、假定转移不发生（针对条件转移） 　假定转移不发生（猜测）的思想是流水线按猜测转移不发生运行，具体是把紧接转移指令后的指令打入IR： * 如果转移不发生，则让它继续执行； * 如果转移成功，则废弃它的执行。 图1．44 猜测不转移 转移没有发生 * 问题的关键是如何在猜测不成功（转移发生）时终止指令的执行。 指令执行的效果：改变处理机的状态、寄存器堆和存储器的内容。如果： * 在EXE级结束之前，清除WZ； * 在MEM级结束之前清除WMEM； * 在WB级结束之前清除WREG 就不会对处理机和存储器产生任何影响。 因此，转移发生时，需要，产生一个控制信号以控制终止紧接转移指令的下条指令执行。 * 　 在我们的流水线处理机中，转移成功与否，在转移指令的ID级就已明了： * 无条件转移指令，在ID级知道肯定转移； * 如果没有采用条件转移硬件暂停，则编译器会加nop， 如： sub r1, r1, 1 nop bne ok ；本指令在ID级根据Z知道是否转移 * 如果采用了前面的条件转移暂停技术，由于条件转移指令在ID级暂停一个时钟周期等待Z标志，因此也能在ID级确定转移是否发生。 BTAKEN = bne Z+beq Z+branch 因此，ID级产生的转移发生逻辑条件： * 　　把ID级产生的转移发生条件（BTAKEN，转移成功时为1）打入流水线寄存器，以便在下一个周期使用。下一个周期恰好是紧接转移指令的后一条指令的ID级，就可以利用BTAKEN通过与门来清除前面提到的3个写信号。 * 不转移时，BTAKEN=0，不封锁，让其后指令继续执行（图1．44）。 * 发生转移时，BTAKEN=1，封锁其后的写信号。 * 　　如果程序执行时，如果条件转移指令占13％，条件转移成功和条件转移不成功各占1/2，则与总是浪费一个周期的方法相比，猜测执行的方法可以节省1/2 X 13％＝6．5％的周期。其加速比为1／(1－0．065)＝1．07，或者说，提高效率7％。 图1．44 猜测不转移 转移没有发生 BTAKEN = bne Z+beq Z+branch * BTAKEN 打入流水线寄存器 例1： 如果模型机只采用软件方法处理控制相关，则编译器应该在条件转移指令前后加nop指令，无条件转移指令后加nop。如： sub r1, r1, 1 nop bne ok nop add r2, r2, r3 …… 0k: or …… branch L1 nop sub r3, r4, r5 …… L1: and r6, r7, 10 * 例1： 如果模型机只采用假定转移不发生方法，则编译器应该在条件转移指令前加nop指令。如： sub r1, r1, 1 nop bne ok add r2, r2, r3