蜂鸟E200设计：流水线

最新推荐文章于 2025-03-04 14:22:02 发布

小叶子&小梳子

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分类专栏：毕业设计：SM3国密/RISC-V设计/蜂鸟e203 文章标签：开发语言经验分享笔记 risc-v 硬件工程 github

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毕业设计：SM3国密/RISC-V设计/蜂鸟e203 专栏收录该内容

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写在前面：本篇内容来自胡振波先生所著的《手把手教你设计CPU——RISC-V处理器》，并附加个人学习心得，纯用以个人学习笔记。强烈推荐想要系统学习RISC-V处理器的同学们去看一下这本书，深入浅出、干货满满。

处理器流水线结构，是处理器微架构最基本的一个要素，承载并决定了处理器其他微架构细节。

概述

1. 流水线概念起源

流水线概念起源于工业制造领域。以汽车制造为例，装配一辆汽车有四个步骤：

冲压、焊接、涂装、总装。

在第一辆汽车完成前一项工序，进入后一项工序时，第二辆汽车进入前一项工序，以此类推。这种生产方式如流水一般不息不止，故名流水线。

2. 经典MIPS五级流水线

一条指令的生命周期可以分为如下步骤：

(1). 指令取值（IF）：将指令从存储器中读出来。

(2). 译码（ID）：将取出的指令进行翻译。译码后，得到指令所需的操作数寄存器索引，使用索引从通用寄存器组中读出操作数。

(3). 执行（IE）：译码后已知计算类型和操作数，即可对指令执行运算。如：指令为一条加法运算指令，则对操作数加法操作。此阶段一般需要用到算法逻辑部件运算器（ALU），作为执行运算的硬件单元。

(4). 访存（MEM）：使用存储器访问指令，将数据从存储器中读出或写入。

(5). 写回（WB）：将指令执行的结果写回通用寄存器组。对于普通运算指令，结果为“执行”后的计算值；对于存储器读指令，结果为“访存”时从存储器中取出的数据。

理论上，如果流水线没有停顿，每个时钟周期都可以完成一条指令。

3. 流水线VS状态机

ASIC电路广泛采用流水线思想，其本质上是以面积换性能、以空间换时间的方法。如：五级流水线增加了五组寄存器，每一流水线级数内部都有各自的组合逻辑数据通路，彼此间无复用资源，面积开销较大。但不同流水线级数可以同时做不同任务，优化了性能、时序，增加了吞吐率。

状态机是流水线的“取反”，也被大部分ASIC采用，本质是以性能换面积、以时间换空间的方法。

因此，具体设计中考虑侧重面积还是侧重性能，来决定选择哪一种方式。

4. 流水线深度（级数）

流水线每一级都由寄存器组成。级数越多，每一级流水线内部硬件逻辑越少，可以实现更高主频、更高吞吐率、更高性能，但会消耗更多的寄存器与面积。

由于每一级流水线需要握手，最后一级的反压信号可能会串扰最前一级造成时序问题。

流水线冲刷（PF）：取值阶段无法知道条件跳转结果，因此只能预测。到流水线末端，通过实际运算才能知道该分支跳转结果。如果预测值和实际跳转结果不同，也就是预测失败，需要将预取的错误指令流丢弃，重新取正确指令流。流水线深度越深，预测失败的功耗就越大，浪费严重。

流水线越深
益处	弊处
高频、高吞吐率、高性能	寄存器/面积消耗大
	最后一级反压信号引起时序问题
	预测失败的功耗浪费严重

注：书中在此处举例剖析了市场上流水线级数两种变化趋势，感兴趣的朋友自行查阅。

流水线中反压问题

对于流水线最后一级的反压可能引起的时序问题，通常有如下三种方法解决：

1. 取消握手

可杜绝反压问题，时序表现好，但可能造成功能错误或指令丢失。因此，这种方法一般要配合其他机制（如：重执行、预留大缓存等），故整体硬件复杂度较高，仅用于高级处理器设计。

2. 加入乒乓球缓存

此方法采用面积换时序的思想，通过使用乒乓缓存（两个表项）替换普通一级流水线（一个表项），使此级流水线向上一级流水线握手时只关注是否有空的表项，无需后一级握手接收信号串扰上一级。

3. 加入前向旁路缓存

此方法采用面积换时序的思想，通过额外增加旁路缓存（一个表项），将后向握手信号时序路径切断，对前向路径无影响。蜂鸟E200设计中采用此方法，可以有效解决反压时序问题。

流水线中冲突

1. 资源冲突

指流水线中硬件资源冲突，最常见运算单元冲突，如：除法器需要多个时钟周期完成运算，前一条除法指令未完成时，后一条除法指令需要除法器，则造成资源冲突。

解决方法：复制硬件资源或流水线停顿等待硬件资源。

2. 数据冲突

指不同指令间操作数存在数据相关性造成的冲突，主要有以下三种：

(1). WAR（先读后写）相关性：“后序执行的指令需要写回结果寄存器索引”与“前序执行的指令需要读取源操作数寄存器索引”相同时。后序指令不能比同WAR相关性的前序指令先执行，否则会使前序指令读取到错误索引。

(2). WAW（先写后写）相关性：“后序执行的指令需要写回结果寄存器索引”与“前序执行的指令需要写回结果寄存器索引”相同时。后序指令不能比同WAW相关性的前序指令先执行，否则前序指令的写回结果会覆盖后序指令的写回结果。

(3). RAW（先写后读）相关性：“后序执行的指令需要读取源操作数寄存器索引”与“前序执行的指令需要写回结果寄存器索引”相同时。后序指令不能比同RAW相关性的前序指令先执行，否则会使后序指令读取到错误索引。（真数据相关：无法通过寄存器重命名解决）

对WAR、WAW相关性解决方法：寄存器重命名。如：在Tomasulo算法中通过保留站和ROB（Re-order Buffer）完成，或采用纯物理寄存器。

对RAW相关性解决方法：通过动态调度尽可能减少流水线停顿等待时间。一方面，采用数据旁路传播技术，尽可能让前序指令计算结果更快地旁路传播给后序相关指令操作数；另一方面，尽可能让后序相关指令在等待过程中不阻塞流水线，使无关指令顺利执行。

实现上述动态调度两方面的手段：在每个运算单元前配置乱序发射队列，发射队列仅追踪RAW相关性而不存放操作数，可以做到很深（如：16个表项）。在发射队列中的指令解除相关性后发射，读取物理寄存器组，再发送给运算单元计算。

蜂鸟E200处理器流水线总览

主要含有的流水线级数为：IFU（第一级，取指）、EXU（第二级，译码、执行）、WB（第二级，写回，与EXU位于同一个时钟周期）、LSU（第三级，访存）。

严格说，蜂鸟E200为变长流水线结构，因为第三级的LSU需要第二级的WB写回结果。