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机器周期的设置流水线每一个功能段部件后面都要有一个缓冲寄存器，或称为锁存器，其作用是保存本流水段的执行结果，提供给下一流水段使用。
注意
- 为方便流水线的设计，将每个阶段的耗时取成一样，以最长耗时为准。
即此处应将机器周期设置为100ns。 - 理想情况下，每个机器周期（功能段）只消耗一个时钟周期。
步骤
①IF取指
②ID译码&取数
③EX 执行
④M访存
⑤WB写回寄存器
考试中常见的五类指令：
运算类指令、LOAD指令、STORE指令、条件转移指令、无条件转移指令
下面我们对这五个指令进行介绍
常见的五类指令运算类指令的执行过程
运算类指令
- IF：根据PC从指令Cache取指令至IF段的锁存器
- ID：取出操作数至ID段锁存器
- EX：运算，将结果存入EX段锁存器
- M：空段
- WB：将运算结果写回指定寄存器
举例：
| 运算类指令举例 | 指令的汇编格式 | 功能 |
|---|---|---|
| 加法指令（两个寄存器相加）： | ADD Rs,Rd | (Rs)+(Rd) → Rd |
| 加法指令（寄存器与立即数相加）： | ADD #996,Rd | 996+(Rd) → Rd |
| 算数左移指令： | SHL Rd | (Rd)<<<2 → Rd |
注意：
- Rs指源操作数（source）
- Rd指目的操作数（destination）
LOAD指令的执行过程
LOAD指令
- IF：根据PC从指令Cache取指令至IF段的锁存器
- ID：将基址寄存器的值放到锁存器A，将偏移量的值放到Imm
- EX：运算，得到有效地址
- M：从数据Cache中取数并放入锁存器
- WB：将取出的数写回寄存器
举例：
| 指令的汇编格式 | 功能 |
|---|---|
| LOAD Rd,996(Rs) | (996+(Rs))→Rd |
| 或简写为：LOAD Rd,mem | (mem)→Rd |
注意：
通常，RISC处理器只有“取数LOAD”和“存数STORE”指令才能访问主存
STORE指令的执行过程
STORE指令
- IF：根据PC从指令Cache取指令至IF段的锁存器
- ID：将基址寄存器的值放到锁存器A，将偏移量的值放到Imm。将要存的数放到B
- EX：运算，得到有效地址。并将锁存器B的内容放到锁存器 Store。
- M：写入数据Cache
- WB：空段
举例
| 指令的汇编格式 | 功能 |
|---|---|
| STORE Rs,996(Rd) | Rs → (996+(Rd)) |
| 或简写为：STORE Rs,mem | Rs → (mem) |
条件转移指令的执行过程
条件转移指令（转移类指令常采用相对寻址）
- IF：根据PC从指令Cache取指令至IF段的锁存器
- ID：进行比较的两个数放入锁存器A、B；偏移量放入 Imm
- EX：运算，比较两个数
- M：将目标PC值写回PC（左图没画全）
- WB：空段
举例：
| 指令的汇编格式 | 功能 |
|---|---|
| beq Rs, Rt, #偏移量 | 若(Rs)==(Rt),则(PC)+指令字长+(偏移量×指令字长)→PC；否则(PC)+指令字长→PC |
| bne Rs, Rt, #偏移量 | 若(Rs)!=(Rt),则(PC)+指令字长+(偏移量×指令字长)→PC；否则(PC)+指令字长→PC |
注意：
注：通常在IF段结束止之后PC就会自动 +“1”
无条件转移指令的执行过程
无条件转移指令（转移类指令常采用相对寻址）
- IF：根据PC从指令Cache取指令至IF段的锁存器
- ID：偏移量放入 Imm
- EX：将目标PC值写回PC（左图没画全）
- M：空段
- WB：空段
举例
| 指令的汇编格式 | 功能 |
|---|---|
| jmp #偏移量 | (PC)+指令字长+(偏移量×指令字长)àPC |
例题.假设某指令流水线采用“按序发射，按序完成”方式，没有采用转发技术处理数据相关，并且同一寄存器的读和写操作不能在同一个时钟周期内进行。若高级语言程序中某赋值语句为x=a+b，x、a和b均为int型变量，它们的存储单元地址分别表示为[x]、[a]和[b]。该语句对应的指令序列及其在指令流中的执行过程如下图所示。
则这4条指令执行过程中I3的ID段和I4的IF段被阻塞的原因各是什么？
解答
I3与I1和I2存在数据相关；
I4的IF段必须在I3进入ID段后才能开始，否则会覆盖IF段锁存器的内容
收获
只有上一条指令进入ID段后，下一条指令才能开始IF段，否则会覆盖IF段锁存器的内容