在航空微電子中心的某預(yù)研項(xiàng)目中，需要開發(fā)設(shè)計某32位浮點(diǎn)通用數(shù)字信號處理器（DSP）。本系統(tǒng)控制通路部分的設(shè)計采用超級哈佛及五級流水線結(jié)構(gòu)。本文分析了該流水線的設(shè)計過程，并對遇到的數(shù)據(jù)相關(guān)問題提出了一種新的解決方法。
　　1 流水線結(jié)構(gòu)
　　流水線處理器一般把一條指令的執(zhí)行分成幾個步驟，或稱為級（stages）。每一級在一個時鐘周期內(nèi)完成，也就是說在每個時鐘周期，處理器啟動并執(zhí)行一條指令。如果處理器的流水線有m級，則同時可重疊執(zhí)行的指令總條數(shù)為m。由于每條指令處在不同的執(zhí)行階段，因此，如果分級分得好，每一級都沒有時間上的浪費(fèi)，這就是最理想的情況。流水線處理器在理想情況下與非流水線處理器的性能加速比為：
　　
　　式中，I為一個程序被執(zhí)行的總的指令條數(shù)，它在流水線處理器和非流水線處理器中是相等的。CPInp是每條指令總體平均所需的時鐘周期數(shù)。因?yàn)榱魉€處理器把一條指令的執(zhí)行時間理想地分成了m級，故有m條指令在同時（重疊）執(zhí)行。T是每個時鐘周期的時間長度，本例可假設(shè)它在兩種處理器中也是相同的，那么，最后總的加速比為m（即等于流水線的級數(shù)）。并不是說把流水線級數(shù)分得越多，處理器的性能就越好。流水線處理器性能提高的關(guān)鍵在于每個時鐘周期處理器都應(yīng)當(dāng)能啟動一條指令的執(zhí)行。
　　2 數(shù)據(jù)相關(guān)問題
　　下面來討論數(shù)據(jù)相關(guān)（data dependence）問題及解決方法，先來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的內(nèi)容相加，并將結(jié)果存人寄存器r1，這樣，它下面的4條指令均與I1相關(guān)，其使用I1的結(jié)果如圖1給出的數(shù)據(jù)相關(guān)關(guān)系圖。從圖中可見，當(dāng)每個周期結(jié)束時，在時鐘上升沿應(yīng)把數(shù)據(jù)打入寄存器。在數(shù)據(jù)沒被打入之前，任何從該寄存器讀出的數(shù)據(jù)都是過時的。圖1中的I2到I4的3條指令就屬于這種情況。它們從r1寄存器讀出的數(shù)據(jù)都是過時的，是不能使用的。I5則沒關(guān)系，當(dāng)它讀r1寄存器時，I1已將結(jié)果寫入。
　　
　　I1下面有3條指令不能從寄存器r1讀出正確的數(shù)據(jù)。為了減少數(shù)據(jù)相關(guān)指令的條數(shù)，設(shè)計時可以讓寫寄存器堆的操作提前半個周期，即由時鐘的下降沿打入。實(shí)踐證明這樣做是可行的，因?yàn)榧俣ㄒ粋€時鐘周期是10 ns，寄存器堆的訪問只需要5 ns。這樣，數(shù)據(jù)相關(guān)的指令條數(shù)就減至兩條，其操作示意圖如圖2所示。
　　
　　3 數(shù)據(jù)相關(guān)問題的解決
　　在流水線處理器中處理數(shù)據(jù)相關(guān)問題有兩種方法：一種是暫停相關(guān)指令的執(zhí)行，即暫停流水線，直到能夠正確讀出寄存器操作數(shù)為止；另一種是采用專門的數(shù)據(jù)通路，直接把結(jié)果送到ALU的輸入端，也就是把內(nèi)部數(shù)據(jù)前推。描述這兩種方法可參考圖2所示的方案，即把寫寄存器堆提前半個周期，這時，只需考慮兩條相關(guān)指令。下面以ALU指令為例對暫停流水線的執(zhí)行方法加以分析。