É uma técnica de implementação multiciclo que permite um melhor aproveitamento de cada unidade funcional do processador. Ao invés de executar as instruções completas sequencialmente, o pipeline permite executar múltiplas tarefas simultaneamente usando recursos diferentes.
O pipelining não melhora a latência de uma única instrução, mas sim de um conjunto de instruções executadas.
As arquiteturas RISC são propícias para a organização em pipelining, isso se deve à sua simplicidade de formato de instrução e à predominância de operandos do tipo registrador.
Estágios de instrução
Para a implementação de pipeline divide-se a execução total de uma instrução nos seguintes passos:
- IF (Instruction fetch): Busca da instrução na memória e incrementa do PC + 4
- ID (Instruction decode): Envio do opcode à unidade de controle e leitura do valor dos registradores determinados na instrução (quando houver).
- EX (Execution): A execução da instrução varia de acordo com o tipo de instrução (nesse momento a unidade de controle já determinou de qual tipo é a instrução):
- Se instrução load ou store: ULA calcula o endereço de memória a ser acessado.
- Se instrução R-type: ULA executa a operação com os registradores lidos no estágio ID.
- Se instrução branch: ULA efetua o teste de condição de salto entre os registradores lidos no estágio ID.
- Se instrução jump: O PC é substituído pelo endereço do desvio.
- MEM (Memory access): Etapa de acesso à memória, diferentes instruções têm diferentes propósitos de acesso à memória:
- Se instrução load: Um dado é lido da memória e armazenado em um registrador temporário.
- Se instrução store: O dado é escrito na memória.
- Se instrução R-type: Armazena o resultado da ULA em um registrador temporário.
- WB (Write back): Armazena no arquivo de registradores os resultados obtidos em estágios anteriores, esses resultados podem ser:
- Dado lido da memória por uma instrução load.
- Resultado da ULA em instruções R-type.
Registradores de pipeline
O pipeline requer registradores intermediários para que os dados de cada instrução possam avançar junto com a execução da mesma sem serem sobrescritos pelos dados da instrução que vem sendo executada logo atrás. Esses registradores tem o propósito de atuar na transição das etapas, e são ao todo 4:
- IF/ID
- ID/EX
- EX/MEM
- MEM/WB
Esses registradores armazenam também os sinais de controle fornecidos pela unidade de controle, para que seja possível ativar corretamente as unidades corretas em cada etapa sem interferência das outras instruções.
