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## 📘 **Zusammenfassung: V5 Pipelining – Computerarchitektur**
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### 🚀 Was ist Pipelining?
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- **Prinzip:** Überlappende Ausführung mehrerer Instruktionen
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- **Analogie:** Waschstraße – mehrere Autos gleichzeitig in unterschiedlichen Phasen
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- **Ziel:** Erhöhung des Durchsatzes (mehr Befehle pro Zeiteinheit)
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- **Wichtig:** Latenz einzelner Instruktionen bleibt gleich
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### 🔁 MIPS-Pipeline (5 Stufen)
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|**Stufe**|**Name**|**Funktion**|
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|1|IF (Instruction Fetch)|Befehl aus Speicher laden|
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|2|ID (Instruction Decode)|Dekodieren, Register lesen|
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|3|EX (Execute)|ALU-Berechnung, Adresse kalkulieren|
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|4|MEM (Memory Access)|Speicher lesen/schreiben|
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|5|WB (Write Back)|Ergebnis ins Register zurückschreiben|
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### 📈 Performance-Vorteile
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- **Single-Cycle Datapath:** 800 ps pro Befehl
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- **Pipelined Datapath:** 200 ps pro Befehl
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- **Theoretisches Speedup:** Anzahl Stufen = 5x schneller
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- **Realität:** Speedup < 5 wegen Hazard-Stalls und unbalancierter Stufen
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### ⚠️ Hazards (Gefahren)
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#### 🏗 Struktur-Hazards
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- Konflikt um Ressource (z. B. Instruktions- und Datenspeicher gleichzeitig benötigt)
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- **Lösung:** Getrennte Instruktions-/Datenspeicher oder Caches
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#### 📦 Daten-Hazards
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- Instruktion benötigt Ergebnis der vorherigen Instruktion
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- Beispiel:
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```asm
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add $s0, $t0, $t1
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sub $t2, $s0, $t3
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```
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- **Lösungen:**
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- **Forwarding (Bypassing):** Ergebnis direkt weiterleiten
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- **Stalls:** Pipeline anhalten
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- **Code Scheduling:** Befehle umsortieren, um Abhängigkeiten zu vermeiden
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#### 🔁 Kontroll-Hazards
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- Sprünge (`beq`, `bne`) → Ziel erst spät bekannt
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- **Lösungen:**
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- Warten bis Branch-Entscheidung (Stalls)
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- **Branch Prediction:**
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- **Static:** Vorwärts nicht nehmen, Rückwärts nehmen
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- **Dynamic:** Verlauf der Branches aufzeichnen und vorhersagen
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### 📦 Optimierungen
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- **Forwarding:** Verhindert unnötige Stalls
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- **Branch Prediction:** Reduziert Control Hazards
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- **Separate Speicher:** Löst Struktur-Hazards
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- **Code Scheduling:** Compiler verschiebt Befehle zur Vermeidung von Stalls
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### 📝 Für die Klausur merken
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✅ Pipeline-Stufen & ihre Aufgaben
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✅ Arten von Hazards + Lösungsstrategien (Forwarding, Prediction)
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✅ Unterschied Durchsatz ↔ Latenz
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✅ Warum MIPS-ISA besonders pipelining-freundlich ist
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✅ Unterschied Static ↔ Dynamic Branch Prediction
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