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DSP设计中的流水线数据相关问题解析
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2017-10-23
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在航空微电子中心的某预研项目中，需要开发设计某32位浮点通用数字信号处理器（DSP）。本系统控制通路部分的设计采用超级哈佛及五级流水线结构。本文分析了该流水线的设计过程，并对遇到的数据相关问题提出了一种新的解决方法。
1 流水线结构
流水线处理器一般把一条指令的执行分成几个步骤，或称为级（stages）。每一级在一个时钟周期内完成，也就是说在每个时钟周期，处理器启动并执行一条指令。如果处理器的流水线有m级，则同时可重叠执行的指令总条数为m。由于每条指令处在不同的执行阶段，因此，如果分级分得好，每一级都没有时间上的浪费，这就是最理想的情况。流水线处理器在理想情况下与非流水线处理器的性能加速比为：
式中，I为一个程序被执行的总的指令条数，它在流水线处理器和非流水线处理器中是相等的。CPInp是每条指令总体平均所需的时钟周期数。因为流水线处理器把一条指令的执行时间理想地分成了m级，故有m条指令在同时（重叠）执行。T是每个时钟周期的时间长度，本例可假设它在两种处理器中也是相同的，那么，最后总的加速比为m（即等于流水线的级数）。并不是说把流水线级数分得越多，处理器的性能就越好。流水线处理器性能提高的关键在于每个时钟周期处理器都应当能启动一条指令的执行。
2 数据相关问题
下面来讨论数据相关（data dependence）问题及解决方法，先来看看下面的程序例子：
在上述程序段中，I1指令把寄存器r2和r3的内容相加，并将结果存人寄存器r1，这样，它下面的4条指令均与I1相关，其使用I1的结果如图1给出的数据相关关系图。从图中可见，当每个周期结束时，在时钟上升沿应把数据打入寄存器。在数据没被打入之前，任何从该寄存器读出的数据都是过时的。图1中的I2到I4的3条指令就属于这种情况。它们从r1寄存器读出的数据都是过时的，是不能使用的。I5则没关系，当它读r1寄存器时，I1已将结果写入。
I1下面有3条指令不能从寄存器r1读出正确的数据。为了减少数据相关指令的条数，设计时可以让写寄存器堆的操作提前半个周期，即由时钟的下降沿打入。实践证明这样做是可行的，因为假定一个时钟周期是10 ns，寄存器堆的访问只需要5 ns。这样，数据相关的指令条数就减至两条，其操作示意图如图2所示。
3 数据相关问题的解决
在流水线处理器中处理数据相关问题有两种方法：一种是暂停相关指令的执行，即暂停流水线，直到能够正确读出寄存器操作数为止；另一种是采用专门的数据通路，直接把结果送到ALU的输入端，也就是把内部数据前推。描述这两种方法可参考图2所示的方案，即把写寄存器堆提前半个周期，这时，只需考虑两条相关指令。下面以ALU指令为例对暂停流水线的执行方法加以分析。
1 流水线结构
流水线处理器一般把一条指令的执行分成几个步骤，或称为级（stages）。每一级在一个时钟周期内完成，也就是说在每个时钟周期，处理器启动并执行一条指令。如果处理器的流水线有m级，则同时可重叠执行的指令总条数为m。由于每条指令处在不同的执行阶段，因此，如果分级分得好，每一级都没有时间上的浪费，这就是最理想的情况。流水线处理器在理想情况下与非流水线处理器的性能加速比为：
式中，I为一个程序被执行的总的指令条数，它在流水线处理器和非流水线处理器中是相等的。CPInp是每条指令总体平均所需的时钟周期数。因为流水线处理器把一条指令的执行时间理想地分成了m级，故有m条指令在同时（重叠）执行。T是每个时钟周期的时间长度，本例可假设它在两种处理器中也是相同的，那么，最后总的加速比为m（即等于流水线的级数）。并不是说把流水线级数分得越多，处理器的性能就越好。流水线处理器性能提高的关键在于每个时钟周期处理器都应当能启动一条指令的执行。
2 数据相关问题
下面来讨论数据相关（data dependence）问题及解决方法，先来看看下面的程序例子：
在上述程序段中，I1指令把寄存器r2和r3的内容相加，并将结果存人寄存器r1，这样，它下面的4条指令均与I1相关，其使用I1的结果如图1给出的数据相关关系图。从图中可见，当每个周期结束时，在时钟上升沿应把数据打入寄存器。在数据没被打入之前，任何从该寄存器读出的数据都是过时的。图1中的I2到I4的3条指令就属于这种情况。它们从r1寄存器读出的数据都是过时的，是不能使用的。I5则没关系，当它读r1寄存器时，I1已将结果写入。
I1下面有3条指令不能从寄存器r1读出正确的数据。为了减少数据相关指令的条数，设计时可以让写寄存器堆的操作提前半个周期，即由时钟的下降沿打入。实践证明这样做是可行的，因为假定一个时钟周期是10 ns，寄存器堆的访问只需要5 ns。这样，数据相关的指令条数就减至两条，其操作示意图如图2所示。
3 数据相关问题的解决
在流水线处理器中处理数据相关问题有两种方法：一种是暂停相关指令的执行，即暂停流水线，直到能够正确读出寄存器操作数为止；另一种是采用专门的数据通路，直接把结果送到ALU的输入端，也就是把内部数据前推。描述这两种方法可参考图2所示的方案，即把写寄存器堆提前半个周期，这时，只需考虑两条相关指令。下面以ALU指令为例对暂停流水线的执行方法加以分析。
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