PIPE-已經是一個流水線化的處理器了,但是當相近指令間存在相關時PIPE-會出現問題.後一指令引用前一指令的結果,是非常常見的,所以一個完整的處理器必須要解決這個問題.

本文探討流水線的兩種形式的相關及其冒險.

相關的兩種形式

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相關有兩種形式

(1).資料相關.下一條指令要用到上一條指令計算出的結果.

(2).控制相關.一條指令要確定下一條指令的位置.比如:跳轉指令,呼叫或者返回指令.

這些相關導致流水線得到不正確的計算結果,稱為冒險(hazard).相應地,分別對應資料冒險和控制冒險.

資料冒險

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1.資料相關一例

irmovl$10,%edx

irmovl$3,%eax

addl %edx, %eax

2.資料冒險

指令的執行在流水線處理器中被劃分為若干階段,同一個時刻有多條指令處於流水線的不同階段(所以, SEQ/SEQ+不會存在這個問題).當出現讀取資料和寫入資料之間的時空相關性時,如果不加以處理,可能會發生資料冒險.

有三種可能的資料冒險:寫後讀(RAW),讀後寫(WAR),寫後寫(WAW).

對於簡單的PIPELINE來說,只有RAW可能會導致資料冒險.另外兩種情況在superscalar處理器(亂序處理器)中才會發現.

3.資料相關可能導致資料冒險

假定程式暫存器原始值為0.

圖1:  3 Nop's 資料相關未造成資料冒險.

圖2: 2 Nop's

圖3: 1 Nop資料相關造成資料冒險

圖4: No Nop資料相關造成資料冒險

4.資料冒險的本質和種類

在SEQ/SEQ+中不用考慮冒險的問題,因為每條指令都是等到前面的指令執行完才進入CPU,換一句話說,前一條指令的可見狀態都一次性更新之後才會執行下一條指令,也就是說,當前指令執行所需要的資料都有了.PIPE會產生冒險就在於讀取下一條指令所需要的資料並沒有完全準備好.

前面說過,在PIPE的實現中,只需要考慮寫後讀(RAW)的問題.根據程式的可見狀態可以具體到以下幾種:

(1).程式暫存器

-這是最典型導致資料冒險的情形.

-讀取程式暫存器在Decode階段,

(2).控制碼

- 讀/寫控制碼都在執行階段發生.所以不會發生資料冒險.

(3). PC

-讀/寫 PC會導致控制冒險.

(4).儲存器

-讀/寫儲存器都在Memory階段發生.

-儲存器在Memory階段被當作資料存取,在Fetch階段被當作程式碼存取.如果程式碼會修改自身,那麼就有可能出冒險.

-本系統不允許"修改自身的程式碼",所以,也就不會發生冒險.

控制冒險

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1.兩種控制冒險

(1).預測錯誤的分支

例如:

0x000:    xorl %eax,%eax

0x002:    jne t         # Not taken

0x007:    irmovl $1, %eax# Fall through

0x00d:    nop

0x00e:    nop

0x00f:     nop

0x010:    halt

0x011: t:irmovl $3, %edx# Target (Should not execute)

0x017:    irmovl $4, %ecx   # Should not execute

0x01d:    irmovl $5, %edx   # Should not execute

圖5:分支預測錯誤,導致控制冒險

(2). ret

前文說過, PIPE不對ret的PC進行預測.所以ret也會導致控制冒險.

例如:

        (Copyright© 2011, Randal E. Bryant and David R. O'Hallaron )

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