Ch5_Enhancing Performance with Pipelining

Enhancing Performance with Pipelining

• 重點一：Pipeline
• 重點二：Pipeline datapath
• 重點三：Pipeline Control Unit
• 重點四：Pipeline hazard
• 重點五：Hazard Solution
• 重點六：Data hazard
• 重點七：Data dependency
• 重點八：Control hazard (Branch hazard)
• 重點九：Advanced pipeline
• 重點十：Pipeline Exception Handling

重點一

Pipeline

• 管線化(Pipelining)
  • 多個指令重疊執行(Overlap execution)，同一時間平行處理不同Stage’s job → 硬體使用率 ↑，throughput ↑
  • 將job的執行分成幾個Step，並將執行工作的硬體切割成幾個對應的Stage ( 1 stage execute 1 step )
  • 特性
    • 不會對個別指令的延遲時間(latency : job真正時間，not延遲時間)有所幫助，但整體指令執行的throughput ↑
    • 多個指令同時使用不同資源 → 硬體使用率 ↑
    • Potential Speedup = number of pipeline stages
    • pipeline rate 受限於最慢pipeline stage的執行時間
    • pipeline stage 分割不平衡 → pipeline Speed ↓
    • fill & drain pipeline → pipeline Speed ↓
• MIPS
  • 所有指令相同長度( 32bits )
  • 少數指令的指令格式中來源暫存器欄位都在相同位置
  • 只有Load & Store 會存取記憶體
  • 運算元(operand)必須在記憶體中對齊(aligned)
• 理想管線的執行及加速(Far ideal pipeline)
  • Execution Time = [(S-1)+ N ] / T
  • CPI = [(S-1) + N ] / N ,if N → ∞ , CPI = 1
  • Speedup = S × N × T /{ [(S-1) + N ] × T’ } , if N → ∞ ,Speedup = S
  • 1個指令花S-1個Clock通過管線，N個指令花(S-1) + N

重點二

Pipeline datapath

重點三

Pipeline Control Unit

重點四