流水线中的相关培训教程[1]

流水线中的相关培训教程[1]

 学习目标

    理解流水线中相关的分类及定义；

    掌握结构相关的解决方法；

    掌握数据相关的三种类型；

    掌握定向技术的主要思想及应用；

    掌握指令调度技术；

    了解对DLX流水线控制的实现。

    正文：

   3.3流水线中的相关

    流水线中的相关是指相邻或相近的指令因存在某种关联，后面的指令不能在原指定的时钟周期开始执行。一般来说，流水线中的相关主要分为如下三种类型：

    1. 结构相关：当硬件资源满足不了指令重叠执行的要求，而发生资源冲突时，就发生了

    结构相关。

    2. 数据相关：当一条指令需要用到前面指令的执行结果，而这些指令均在流水线中重叠

    执行时，就可能引起数据相关。

    3. 控制相关：当流水线遇到分支指令和其它能够改变 PC 值的指令时，就会发生控制相

    关。

    一旦流水线中出现相关，必然会给指令在流水线中的顺利执行带来许多问题，如果不能很好地解决相关问题，轻则影响流水线的性能，重则导致错误的执行结果。消除相关的基本方法是让流水线暂停执行某些指令，而继续执行其它一些指令。

    在后面的讨论中,我们约定:当一条指令被暂停时，在该暂停指令之后发射的所有指令都要被暂停，而在该暂停之前发射的指令则可继续进行，在暂停期间，流水线不会取新的指令。

 3.3.1流水线的结构相关

    如果某些指令组合在流水线中重叠执行时，产生资源冲突，则称该流水线有结构相关。为了能够在流水线中顺利执行指令的所有可能组合，而不发生结构相关，通常需要采用流水化功能单元的方法或资源重复的方法。

    许多流水线机器都是将数据和指令保存在同一存储器中。如果在某个时钟周期内，流水线既要完成某条指令对数据的存储器访问操作，又要完成取指令的操作，那么将会发生存储器访问冲突问题 （如图3.3.1所示），产生结构相关。为了解决这个问题，可以让流水线完成前一条指令对数据的存储器访问时，暂停取后一条指令的操作 （如图3.3.2所示）。该周期称为流水线的一个暂停周期。暂停周期一般也称为流水线气泡，或简称为气泡。从图3.3.2可以看出，在流水线中插入暂停周期可以消除这种结构相关。

    也可以用如图3.3.3所示的时空图来表示上述暂停情况。

  由上可知，为消除结构相关而引入的暂停将影响流水线的性能。为了避免结构相关，可以考虑采用资源重复的方法。比如，在流水线机器中设置相互独立的指令存储器和数据存储器；也可以将 Cache 分割成指令 Cache 和数据 Cache。

    假设不考虑流水线其它因素对流水线性能的影响，显然如果流水线机器没有结构相关，那么其 CPI 也较小。然而，为什么有时流水线设计者却允许结构相关的存在呢？主要有两个原因：一是为了减少硬件代价，二是为了减少功能单元的延迟。如果为了避免结构相关而将流水线中的所有功能单元完全流水化，或者设置足够的硬件资源，那么所带来的硬件代价必定很大。

    3.3.2流水线的数据相关

    1. 数据相关简介

    当指令在流水线中重叠执行时，流水线有可能改变指令读/写操作数的顺序，使得读/写操作顺序不同于它们非流水实现的顺序，这将导致数据相关。首先让我们考虑下列指令在流水线中的执行情况： ADD  R1， R2， R3

    SUB R4， R5， R1

    AND  R6， R1， R7

    OR R8， R1， R9

    XOR R10， R1，  R11