流水線中的相關培訓教程[1]

?學習目標

??? 理解流水線中相關的分類及定義；

??? 掌握結構相關的解決方法；

??? 掌握數據相關的三種類型；

??? 掌握定向技術的主要思想及應用；

??? 掌握指令調度技術；

??? 了解對DLX流水線控制的實現。

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??? 正文：

?? 3.3流水線中的相關

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

??? 1. 結構相關：當硬件資源滿足不了指令重疊執行的要求，而發生資源沖突時，就發生了

??? 結構相關。

??? 2. 數據相關：當一條指令需要用到前面指令的執行結果，而這些指令均在流水線中重疊

??? 執行時，就可能引起數據相關。

??? 3. 控制相關：當流水線遇到分支指令和其它能夠改變 PC 值的指令時，就會發生控制相

??? 關。

??? 一旦流水線中出現相關，必然會給指令在流水線中的順利執行帶來許多問題，如果不能很好地解決相關問題，輕則影響流水線的性能，重則導致錯誤的執行結果。消除相關的基本方法是讓流水線暫停執行某些指令，而繼續執行其它一些指令。

??? 在后面的討論中,我們約定:當一條指令被暫停時，在該暫停指令之后發射的所有指令都要被暫停，而在該暫停之前發射的指令則可繼續進行，在暫停期間，流水線不會取新的指令。

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?3.3.1流水線的結構相關

??? 如果某些指令組合在流水線中重疊執行時，產生資源沖突，則稱該流水線有結構相關。為了能夠在流水線中順利執行指令的所有可能組合，而不發生結構相關，通常需要采用流水化功能單元的方法或資源重復的方法。

??? 許多流水線機器都是將數據和指令保存在同一存儲器中。如果在某個時鐘周期內，流水線既要完成某條指令對數據的存儲器訪問操作，又要完成取指令的操作，那么將會發生存儲器訪問沖突問題 （如圖3.3.1所示），產生結構相關。為了解決這個問題，可以讓流水線完成前一條指令對數據的存儲器訪問時，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構相關。

??? 也可以用如圖3.3.3所示的時空圖來表示上述暫停情況。

? 由上可知，為消除結構相關而引入的暫停將影響流水線的性能。為了避免結構相關，可以考慮采用資源重復的方法。比如，在流水線機器中設置相互獨立的指令存儲器和數據存儲器；也可以將 Cache 分割成指令 Cache 和數據 Cache。

??? 假設不考慮流水線其它因素對流水線性能的影響，顯然如果流水線機器沒有結構相關，那么其 CPI 也較小。然而，為什么有時流水線設計者卻允許結構相關的存在呢？主要有兩個原因：一是為了減少硬件代價，二是為了減少功能單元的延遲。如果為了避免結構相關而將流水線中的所有功能單元完全流水化，或者設置足夠的硬件資源，那么所帶來的硬件代價必定很大。

??? 3.3.2流水線的數據相關

??? 1. 數據相關簡介

??? 當指令在流水線中重疊執行時，流水線有可能改變指令讀/寫操作數的順序，使得讀/寫操作順序不同于它們非流水實現的順序，這將導致數據相關。首先讓我們考慮下列指令在流水線中的執行情況： ADD? R1， R2， R3

??? SUB R4， R5， R1

??? AND? R6， R1， R7

??? OR R8， R1， R9

??? XOR R10， R1，? R11

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