计算机系统导论 · 第十一讲：流水线与冒险处理

第四章 第十一讲：流水线与冒险处理

来源：ICS11，2026 年 10 月 22 日，68 页。

1. 流水线的性能

把计算划成 段，段间加入流水线寄存器。理想情况下每周期完成一条指令，单条指令仍需经过全部阶段。 设各段组合延迟为 ，寄存器开销为 ，则

无停顿时 条指令需要 个周期。SEQ 时间约为 ，流水线时间为 。阶段不平衡和寄存器开销限制加速比。

2. PIPE 的状态与预测

F 保存预测 PC；D、E、M、W 保存不同阶段的指令字段与中间结果。大写 E_valA 表示 E 寄存器中已有的值，小写 e_valE 表示当前周期执行逻辑刚产生的值。

默认预测条件跳转发生：jXX/call 的预测 PC 为 valC，其余顺序取 valP。分支判断在 E 阶段完成；返回地址需等 ret 读完内存后才能使用。

3. 数据相关与转发

后指令需要前指令尚未写回的寄存器值，产生读后写相关。按序五级流水线中，核心问题是消费者何时需要值、生产者何时产生值。

转发将 E、M、W 阶段的结果直接送到译码阶段选择逻辑。对同一源寄存器有多个匹配写者时，选程序顺序中最近的前驱。

课件 d_valA 的选择顺序：

1. call/jXX 使用 D_valP；
2. d_srcA == e_dstE：取 e_valE；
3. 匹配 M_dstM：取 m_valM；
4. 匹配 M_dstE：取 M_valE；
5. 匹配 W_dstM：取 W_valM；
6. 匹配 W_dstE：取 W_valE；
7. 最后才取寄存器堆的读值。

条件传送失败时 e_dstE=RNONE，不能把取消的写回当成数据来源。RNONE 表示没有寄存器操作数。

4. 装载使用冒险

mrmovq 或 popq 在 M 阶段结束才产生 valM，紧随其后的消费者在更早的 D 阶段需要它，转发也无法把未来的值送回过去。

检测条件：

L = E_icode in {IMRMOVQ, IPOPQ}
    && E_dstM in {d_srcA, d_srcB}

处理：F、D 停顿，E 注入气泡，M、W 正常前进。一个周期后从 M 转发装载结果。仅有 ALU 相关通常无额外周期，紧邻装载使用通常增加 1 周期。

5. 分支误预测与返回

条件跳转预测发生而实际不发生：在 E 阶段检测 E_icode==IJXX && !e_Cnd。D、E 注入气泡，下一次取指从分支的顺序后继开始。清除两条年轻指令，损失 2 周期；这些指令尚未造成体系结构副作用。

ret 处于 D、E、M 任一阶段时，暂停取指，并向 D 注入气泡；当返回地址到达 W 时，取 W_valM 作为 PC。返回通常损失 3 周期。

6. 停顿、气泡与组合条件

停顿保留流水线寄存器当前内容；气泡将下一阶段指令替换为无副作用的空操作。正常更新则锁存新输入。

令 为装载使用， 为误预测， 为 D/E/M 中存在返回：

F_stall  = L || R
D_stall  = L
D_bubble = B || (R && !L)
E_bubble = B || L

装载到 %rsp 后紧跟 ret，同时触发 与 ；必须保留 D 中的 ret 等待新栈指针，因此装载使用优先，D 停顿而不气泡。 若误预测路径上的 D 指令恰为 ret，按分支误预测清除它，PC 重定向仍应生效。

7. 周期计算例题

五级流水线执行 20 条有效指令，有 3 次装载使用、2 次误预测、1 次返回，按课件模型且处罚彼此独立，周期数为

稳态估计 ；短程序还要计算填充和排空，重叠事件要按控制逻辑逐周期判断。

查看原始笔记