流水線中的相關(guān)培訓(xùn)教程[1]

?學(xué)習(xí)目標(biāo)

??? 理解流水線中相關(guān)的分類及定義；

??? 掌握結(jié)構(gòu)相關(guān)的解決方法；

??? 掌握數(shù)據(jù)相關(guān)的三種類型；

??? 掌握定向技術(shù)的主要思想及應(yīng)用；

??? 掌握指令調(diào)度技術(shù)；

??? 了解對(duì)DLX流水線控制的實(shí)現(xiàn)。

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??? 正文：

?? 3.3流水線中的相關(guān)

??? 流水線中的相關(guān)是指相鄰或相近的指令因存在某種關(guān)聯(lián)，后面的指令不能在原指定的時(shí)鐘周期開始執(zhí)行。一般來說，流水線中的相關(guān)主要分為如下三種類型：

??? 1. 結(jié)構(gòu)相關(guān)：當(dāng)硬件資源滿足不了指令重疊執(zhí)行的要求，而發(fā)生資源沖突時(shí)，就發(fā)生了

??? 結(jié)構(gòu)相關(guān)。

??? 2. 數(shù)據(jù)相關(guān)：當(dāng)一條指令需要用到前面指令的執(zhí)行結(jié)果，而這些指令均在流水線中重疊

??? 執(zhí)行時(shí)，就可能引起數(shù)據(jù)相關(guān)。

??? 3. 控制相關(guān)：當(dāng)流水線遇到分支指令和其它能夠改變 PC 值的指令時(shí)，就會(huì)發(fā)生控制相

??? 關(guān)。

??? 一旦流水線中出現(xiàn)相關(guān)，必然會(huì)給指令在流水線中的順利執(zhí)行帶來許多問題，如果不能很好地解決相關(guān)問題，輕則影響流水線的性能，重則導(dǎo)致錯(cuò)誤的執(zhí)行結(jié)果。消除相關(guān)的基本方法是讓流水線暫停執(zhí)行某些指令，而繼續(xù)執(zhí)行其它一些指令。

??? 在后面的討論中,我們約定:當(dāng)一條指令被暫停時(shí)，在該暫停指令之后發(fā)射的所有指令都要被暫停，而在該暫停之前發(fā)射的指令則可繼續(xù)進(jìn)行，在暫停期間，流水線不會(huì)取新的指令。

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?3.3.1流水線的結(jié)構(gòu)相關(guān)

??? 如果某些指令組合在流水線中重疊執(zhí)行時(shí)，產(chǎn)生資源沖突，則稱該流水線有結(jié)構(gòu)相關(guān)。為了能夠在流水線中順利執(zhí)行指令的所有可能組合，而不發(fā)生結(jié)構(gòu)相關(guān)，通常需要采用流水化功能單元的方法或資源重復(fù)的方法。

??? 許多流水線機(jī)器都是將數(shù)據(jù)和指令保存在同一存儲(chǔ)器中。如果在某個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，流水線既要完成某條指令對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器訪問操作，又要完成取指令的操作，那么將會(huì)發(fā)生存儲(chǔ)器訪問沖突問題 （如圖3.3.1所示），產(chǎn)生結(jié)構(gòu)相關(guān)。為了解決這個(gè)問題，可以讓流水線完成前一條指令對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器訪問時(shí)，暫停取后一條指令的操作 （如圖3.3.2所示）。該周期稱為流水線的一個(gè)暫停周期。暫停周期一般也稱為流水線氣泡，或簡稱為氣泡。從圖3.3.2可以看出，在流水線中插入暫停周期可以消除這種結(jié)構(gòu)相關(guān)。

??? 也可以用如圖3.3.3所示的時(shí)空?qǐng)D來表示上述暫停情況。

? 由上可知，為消除結(jié)構(gòu)相關(guān)而引入的暫停將影響流水線的性能。為了避免結(jié)構(gòu)相關(guān)，可以考慮采用資源重復(fù)的方法。比如，在流水線機(jī)器中設(shè)置相互獨(dú)立的指令存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；也可以將 Cache 分割成指令 Cache 和數(shù)據(jù) Cache。

??? 假設(shè)不考慮流水線其它因素對(duì)流水線性能的影響，顯然如果流水線機(jī)器沒有結(jié)構(gòu)相關(guān)，那么其 CPI 也較小。然而，為什么有時(shí)流水線設(shè)計(jì)者卻允許結(jié)構(gòu)相關(guān)的存在呢？主要有兩個(gè)原因：一是為了減少硬件代價(jià)，二是為了減少功能單元的延遲。如果為了避免結(jié)構(gòu)相關(guān)而將流水線中的所有功能單元完全流水化，或者設(shè)置足夠的硬件資源，那么所帶來的硬件代價(jià)必定很大。

??? 3.3.2流水線的數(shù)據(jù)相關(guān)

??? 1. 數(shù)據(jù)相關(guān)簡介

??? 當(dāng)指令在流水線中重疊執(zhí)行時(shí)，流水線有可能改變指令讀/寫操作數(shù)的順序，使得讀/寫操作順序不同于它們非流水實(shí)現(xiàn)的順序，這將導(dǎo)致數(shù)據(jù)相關(guān)。首先讓我們考慮下列指令在流水線中的執(zhí)行情況： ADD? R1， R2， R3

??? SUB R4， R5， R1

??? AND? R6， R1， R7

??? OR R8， R1， R9

??? XOR R10， R1，? R11

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