使用5级流水线CPU的给定指令序列所需的时钟周期数是多少？

Question

5级流水线CPU具有以下阶段序列：

• IF - 从指令存储器中取指令。
• RD - 指令解码和寄存器读取。
• EX - 执行：用于数据和地址计算的ALU操作。
• MA - 数据存储器访问 - 对于写访问，使用在RD状态下读取的寄存器。
• WB - 注册回写。

请考虑以下指令序列：

I1: L  R0, loc 1       ; R0 <=M[loc1]
I2: A  R0, R0 1        ; R0 <= R0 + R0
I3: S  R2, R0 1        ; R2 <= R2 - R0

让每个阶段花费一个时钟周期。从获取I1开始，完成上述指令序列所需的时钟周期数是多少？

所以这是我的解决方案。

    1   2   3   4   5   6   7   8   9   10  11  12  13
I1: IF  RD  EX  MA  WB
I2:     IF  -   -   -   RD  EX  MA  WB
I3:         IF  -   -   -   -   -   -   RD  EX  MA  WB

通过这种方式，我总共得到13个周期。我假设因为在问题中没有明确提到操作数转发。所以注册只能在WB阶段之后才能使用。但选项如下：

• A. 8
• B. 10
• C. 12
• D. 15

Answer 1

由于下面的线，给出的问题是基于结构危险

“MA - 数据存储器访问 - 用于写访问，使用在RD状态读取的寄存器”

而不是数据依赖，尽管它似乎有数据依赖性。因此，在问题中没有提到有关数据转发的内容。

结构危险适用于加载指令。因此，直到执行第一条指令才能开始执行下一条指令，因为M [loc1]引用的存储单元的有效地址将仅在流水线的执行阶段计算。因此，在此之前总线将不会被释放，因此无法获取第二条指令。因此，第二条指令将需要额外2个时钟周期。

并且第三条指令在第一条指令成功将数据加载到寄存器R0之前无法开始执行。这导致第三条指令有3个以上的时钟周期。

Hence, total clock cycles = (CC for I1) + (CC for I2) + (CC for I3) 
= 5 + 2 + 3
= 10 clock cycles

Answer 2

对于写访问，使用在RD阶段读取的寄存器 - 这意味着如果我们不能操作数将值转发到MA阶段。因此，我们可以假设操作数转发可以用于其他阶段。

通过数据转发：

T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8

如果RD EX MA WB -IF RD - EX MA WB --IF - RD EX MA WB

因此，答案将是8。

http://www.cs.iastate.edu/~prabhu/Tutorial/PIPELINE/forward.html