系列文章目录

本系列博客重点在深圳大学计算机系统（3）课程的核心内容梳理，参考书目《计算机组成与设计》（有问题欢迎在评论区讨论指出，或直接私信联系我）。

第一章 计算机组成与设计01——计算机概要与技术_@李忆如的博客-CSDN博客

第二章 计算机组成与设计02——指令：计算机的语言_@李忆如的博客-CSDN博客

第三章 计算机组成与设计03——计算机的算术运算_@李忆如的博客-CSDN博客

第四章 计算机组成与设计04——处理器 

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梗概

本篇博客主要介绍深入计算机组成与设计第四章处理器的相关知识。

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一、引言

1.计算机性能因素

计算机性能因素与其决定因素如下：

2.基本的MIPS实现（指令部分）

一个基本的MIPS的实现方式如下：

指令的执行步骤如下： 

3.CPU 抽象视图

算术逻辑指令、存储访问指令、分支指令的CPU抽象视图分别如下：

​

​

​Tips：某个操作的数有多个来源时，需要加入复选器调整视图（如bne、lw、sw）

4.MIPS子集的基本实现

加入后一个MIPS子集的基本实现如下，包含控制信号与复选器。

二、逻辑设计基础

1.组合单元

2.时钟方法

三、数据通路的建立

数据通路：CPU中处理数据和地址的单元部件 Registers ALUs Mux’s Memories …

数据通路部件（datapath element）：一个用来操作或保存处理器中数据的单元

程序计数器PC：存放下一条指令地址的寄存器

1.R型指令

2.存取指令

Tips：符号扩展不能漏（为增加数据项长度，将原数据项最高位复制到新数据项多出来的高位）。

3.分支指令 

Tips：beq需要左移两位，MIPS中连续字的地址相差4，且字的起始地址为4的倍数（一个地址为8位，即一个字节，一个字有4个字节）。所以，需要将offset_value左移2位，使其表示为字的地址，确保其能正确跳转到正确地址。

4.简单的数据通路（R型/存取）

初步的数据通路在1个时钟周期内完成指令

每个数据通路部件在一个时钟周期内只能处理一条指令 因此需要独立的数据和指令存储器

当不同指令的数据来源不同时，需要使用多选器

5.完整的数据通路（单周期）

Tips：数据通路必须有独立的指令存储器和数据存储器，因为处理器在一个周期内只能操作每个部件一次，而在一个周期内不可能对一个单端口存储器进行两次存取。 

四、简单的实现机制

核心：以MIPS核心指令子集为目标，为数据通路设计控制单元

核心指令： lw, sw, beq, add, sub, and, or, slt, j

1.ALU控制信号

设计单元表示真值表如下：

2.主控单元设计

Tips：增加了指令判断的复选器与ALU控制单元，并标识出了所有控制信号。

控制信号及其含义如下：

加入控制单元后的简单数据通路如下：

各类指令的控制信号如下：

五、流水线概述

单周期处理器缺点：无法应对不同指令路径（处理时间）长短的差异，最慢的路径决定时钟周期，不符合“加快经常性实事件”设计原则。

0.MIPS指令流水

IF: 从内存中取指令

ID: 指令解码& 读寄存器

EX: 执行运算或计算地址

MEM: 访问内存操作

WB: 将结果写回寄存器 

Tips：流水线每一步的流水线周期（Tc）一致，取决于最慢处理步骤。 

1.流水线的性能

对上述例题（lw）进行分析，性能对比如下：

2.流水线的加速比及分析

流水线vs单周期如下：

流水线vs多周期指令如下：

流水线分析：n个段（以5为例）构成了一个指令流水线，一条指令经过每个段

CPI（平均执行周期数）减少到1，平均每个时钟周期发射或完成一条指令

在任意时钟周期，在每个流水段正执行一条指令的一部分

Tips：注意指令是单周期还是多周期，单周期无流水线CPI也是1 

3.流水线冒险

冒险现象：下一周期不能按时执行下一条指令

①结构冒险（结构相关）：所需的部件忙，暂不可用

②数据冒险（数据相关）：需要前面某条指令的计算结果，用于本次计算输入

③控制冒险（控制相关）：需要根据前面某条指令的结果来确定分支的选择执行 

3.1 结构冒险

定义：缺乏硬件支持导致指令不能在预定的时钟周期内执行的情况

以data access与instruction fecth的冒险为例：

Tips：因此，流水实现的MIPS中指令和数据内存必须是分离独立的 两个独立的L1 cache 

3.2 数据冒险

定义：一条指令依赖于前面某条执行的计算结果，缺少指令执行所需数据而导致指令无法在预期的时钟周期内执行。

解决方法如下：

（1）前推

（2）前推+停顿

3.3 数据冒险样例

​Tips：时钟周期即横轴数，本题为13个。

调整后指令如下（减少时钟周期）：

3.4 控制冒险

定义：取到的指令不是所需要的（地址变化不是预期）而导致指令不能在预定的时钟周期内执行。

出现原因：决策依赖于一条指令的结果，而其他指令正在执行中（例：下一条指令IF阶段时，分支指令仍在 ID阶段）。

解决控制冒险的方法如下：

（1）阻塞

在分支指令后立即阻塞流水线，避免地址未被计算，样例如下：

分析：在较长流水线中，往往不能在第二级完成分支决策，阻塞（停顿）会带来更大的速度下降。

（2）预测

根据“通过预测提高性能”的设计原则对分支地址进行预测预测，预测错误才需要阻塞。

Ⅰ、恒预测不跳转 

一种简单的预测方法就是总预测分支未发生（不跳转），样例如图：

Ⅱ、静态分支预测

一种更成熟的分支预测是基于典型的行为，预测一些分支发生而预测另一些分支不发生，样例如下：

Ⅲ、动态硬件预测

定义：预测取决于每一步分支的行为，并且在整个程序的生命周期内可能改变分支的预测结果。

实现：保存每次分支的历史记录，利用历史记录来预测。

Tips：较长的流水线会恶化预测的性能（各种方法），并提高错误预测的概率。

3.5 流水线冒险样例

Tips：算数指令是要在WB后才写入寄存器，故2需要旁路 

六、MIPS流水化的数据通路 

在单时钟周期中，流水线最多五条指令，因此要把之前的数据通路分为五部分，如图：

图中从左到右的指令流中有两个例外：

（1）写回阶段是写回数据通路中间的寄存器（可能导致数据冒险）

（2）选择PC的下一个值的时候，在自增PC与MEM的分支地址间进行选择（可能导致控制冒险） 

1.流水线寄存器

通过增加保存中间数据（记录前一时钟周期产生的结果）的寄存器，使得指令过程中可以共享部分数据通路，故需要流水线寄存器，确保一条数据通路实现流水线，加入流水线寄存器如图所示：

Tips：流水线寄存器宽度要足够大（64、128、97、64）

补充：每条指令都会更新PC，PC可以看作是一个流水线寄存器：给IF级提供数据，发生异常时必须保存它的内容。

2.流水线工作方式

以lw与sw为例介绍流水线的工作方式与数据通路实现，红圈为数据传输与存储，供之后的指令使用，如图所示：

2.1 lw/sw指令的流水操作——IF

2.2 lw/sw指令的流水操作——ID

Tips：由于处理器并不知道当前是哪一条指令在被译码，因此它把符号扩展后的常量及两个寄存器的值都读入ID/EX寄存器中，简化控制。 

2.3 lw指令的流水操作——EX

2.4 lw指令的流水操作——MEM 

2.5 lw指令的流水操作—— WB

其中，写回寄存器的值是IF/ID流水线寄存器（之前lw的目标寄存器没保存）提供的，但现在的指令是lw后的指令，故写回寄存器的值有问题，需要修正，如图所示：

2.6 sw指令的流水操作——EX

Tips：只有在Sw中才将第二个寄存器的数据写入EX/MEM寄存器。

2.7 sw指令的流水操作—— MEM

2.8 sw指令的流水操作—— WB

3.流水线图形化 

3.1 多时钟周期流水线图

多时钟周期流水线图简单但不包括所有细节，构成了资源（部件）的使用情况图。样例如图所示：

Tips：上图描述的是每个步骤使用的物理资源

3.2 传统图示

3.3 单时钟周期流水线图

单时钟周期流水线图表示的是一个时钟周期内整个数据通路的状态，样例如图：

3.4 流水线性能与时钟周期回顾

3.5 流水线例题 

Ⅰ、几个学生在讨论五级流水线的效率问题。有一个学生指出并非所有流水级中的指令都是活动的。在忽略冒险的情况下，他们做出了以下几个断言，其中哪一个是正确的？

1）允许跳转、分支、ALU指令使用比5级（装载指令需要的级数）更少的级数将在所有情况下增加流水线的性能。

错误，由2）解释。

2）允许一些指令使用更少的级数并不能提高性能，因为吞吐率（单位时间流出的指令数）是由时钟周期决定的。每条指令所需的流水线级数仅影响它的延迟时间，而不影响吞吐率。

正确

3）不可能减少ALU指令所需的时钟周期数，因为他们需要写回结果。不过分支和跳转指令是可以减少时钟周期数的，因此存在改善性能的机会。

错误

4）相对于尝试减少指令所需的时钟周期数，我们可以延长流水线的级数，虽然每条指令花费更多的时钟周期数，但时钟周期的长度变短了，这样才能提高性能（吞吐率 = 单位时间 / 时钟周期的长度）。

正确 

Ⅱ、流水线对时钟周期的影响

1.流水线处理器与非流水线处理器的时钟周期分别是多少？

流水线处理器时钟周期取决于最慢的流水线级：350ps

非流水线时钟周期为一条指令（单周期）：1250ps

2.lw指令在流水线处理器和非流水线处理器中的总延迟分别是多少？

流水线总延迟：max (250, 350, 150, 300, 200) * 5 = 350ps * 5 = 1750ps

非流水线：250 + 350 + 150 + 300 + 200 = 1250ps

3.如果可以将原流水线数据通路的一级划分为两级，每级的延迟是原级的一半，那么你会选哪一级进行划分？划分后的时钟周期是多少？

选择最长的一级划分，即ID

划分后时钟周期为：300ps 

4.假设没有阻塞和冒险，数据存储器的利用率是多少（占总周期数的百分比）？

lw与sw使用数据存储器，故利用率为20+15=35%

5.假设没有阻塞和冒险，寄存器堆的写寄存器端口的利用率是多少？

alu与lw使用写寄存器端口，故利用率为45+20=65%

6.假设一种多周期的处理器设计，其中每条指令需要多个时钟周期完成。但上一条指令完成前不取下一条指令。在这种设计中，指令仅经过其所需的阶段（例如，存储指令仅需4个时钟周期，因为其不需要WB阶段）。比较单周期设计、多周期设计和流水线设计三者的时钟周期和总执行时间。

Tips：beq因为branch在mem中，所以有控制信号，无WB，所以在多周期中为4。

4.流水线控制信号 

流水线控制信号（简化）如图：

Tips：输入ALU control的六位字段为指令立即数的低六位（符号扩展时无变化）。

EX过程中控制信号有：RegDst、ALUOp、ALUSrc，根据这些信息选择结果寄存器（R、I型指令）、ALU操作、并为ALU读取data2或符号扩展后的立即数。 

4.1 控制信号说明

ALUOp信号如下：

其他信号如下：

Tips：控制信号与非流水方式相同的意义，各种指令如下：

4.2 控制信号与数据通路 

流水线控制信号根据指令产生：与单周期实现一样，如图：

Tips：ALUOp分为ALUOp1与ALUOp0，为两个控制信号。 

流水线数据通路如图：

七、数据冒险：旁路与阻塞

1.判断范式与前推通路

部分数据冒险可以通过前推技术来解决 问题：如何发现何时需要将数据前推？

检测是否需要启用前推的范式如下：

冒险样例如下： 

流水线中前推通路如下：

2.范式修正

但是，直接采用总是旁路的方法解决冒险是不对的，某些指令可能不写回寄存器，会产生不必要的旁路。 

故在此添加两个条件：

1.仅当写寄存器才需要前推!（写内存则不必）

即：EX/MEM.RegWrite, MEM/WB.RegWrite

2.$0恒为0，如果目标寄存器是$0 不需前推 避免把$0按非0旁路处理

即：EX/MEM.RegisterRd ≠ 0, MEM/WB.RegisterRd ≠ 0

故此时范式如下：

但此时范式仍存在双重数据冒险的问题，样例与修正如下：

故修正后的MEM冒险范式如下：

核心：只有EX冒险不成立时，才对MEM冒险前推 

Tips：and not中的两个即为EX冒险判断范式 

3.前推流水线

故带有前推功能流水线如图所示：

若考虑带符号立即数作为ALU的输入，需增加一个2:1的MUX，如图： 

 

 

总结

以上便是绍深入计算机组成与设计第四章处理器的相关知识。在第四章中，主要以计算机系统处理器与流水线的数据通路介绍与实现为主。