流水線中的相關(guān)培訓(xùn)教程[3]

(1) 寫后讀相關(guān)（RAW：Read After Write） （命名規(guī)則） ：j 的執(zhí)行要用到 i 的計算結(jié)果，當(dāng)它們在流水線中重疊執(zhí)行時，j 可能在 i 寫入其計算結(jié)果之前就先行對保存該結(jié)果的寄存器進(jìn)行讀操作，從而得到錯誤的值。這是最常見的一種數(shù)據(jù)相關(guān)，圖3.3.6和圖3.3.7中采用定向技術(shù)消除的數(shù)據(jù)相關(guān)就屬于這種類型。

??? (2) 寫后寫相關(guān)（WAW：Write After Write ）：j 和 i 的目的寄存器相同，當(dāng)它們在流水線中重疊執(zhí)行時，j 可能在 i 寫入其計算結(jié)果之前就先行對該結(jié)果寄存器進(jìn)行寫操作，從而導(dǎo)致寫入順序錯誤，在目的寄存器中留下的是 i 寫入的值，而不是 j 寫入的值。

??? 如果在流水線中不只一個段可以進(jìn)行寫操作，或者當(dāng)流水線暫停某條指令時，允許該指令之后的指令繼續(xù)前進(jìn)，就可能會產(chǎn)生這種類型的數(shù)據(jù)相關(guān)。由于 DLX 流水線只在 WB 段寫寄存器，所以在 DLX 流水線中執(zhí)行的指令不會發(fā)生這種類型的數(shù)據(jù)相關(guān)。如果我們對DLX流水線作如下改變，在DLX流水線中執(zhí)行的指令就有可能發(fā)生WAW相關(guān)。首先，將 ALU 運(yùn)算結(jié)果的寫回操作移到 MEM 段進(jìn)行，因為這時計算結(jié)果已經(jīng)有效；其次，假設(shè)訪問數(shù)據(jù)存儲器占兩個流水段。下面是兩條指令在修改后的 DLX 流水線中執(zhí)行的情況：

??? 可以看出，在修改后的 DLX 流水線中執(zhí)行上述指令序列后，寄存器 R1 中的內(nèi)容是第一條指令（LW）的寫入結(jié)果，而不是 ADD 指令的寫入結(jié)果。這就是由于 WAW 相關(guān)所帶來的錯誤執(zhí)行結(jié)果。

??? (3) 讀后寫相關(guān)（WAR：Write After Read ）：j 可能在 i 讀取某個源寄存器的內(nèi)容之前就先對該寄存器進(jìn)行寫操作，導(dǎo)致 i 后來讀取到的值是錯誤的。

??? 由于 DLX 流水線在 ID 段完成所有的讀操作，在 WB 段完成所有的寫操作。所以，在 DLX 流水線中不會產(chǎn)生這種類型的數(shù)據(jù)相關(guān)。基于上面修改后的 DLX 流水線，考察下面兩條指令的執(zhí)行情況：

??? 如果 SW 指令在 MEM2 段的后半部分讀取寄存器 R2 的值，ADD 指令在 WB 段的前半部分將計算結(jié)果寫回寄存器 R2，則 SW 將讀取錯誤的值，將 ADD 指令的計算結(jié)果寫入存儲器中。值得注意的是，在讀后讀（RAR： Read After Read）的情況下，不存在數(shù)據(jù)相關(guān)問題。

4. 需要暫停的數(shù)據(jù)相關(guān)

??? 前面我們討論了如何利用定向技術(shù)消除由于數(shù)據(jù)相關(guān)帶來的暫停。但是，并不是所有數(shù)據(jù)相關(guān)帶來的暫停都可以通過定向技術(shù)消除。

??? 為了保證流水線正確執(zhí)行上述指令序列，可以設(shè)置一個稱為流水線互鎖（pipeline interlock）的功能部件。一旦流水線互鎖檢測到上述數(shù)據(jù)相關(guān)，流水線暫停執(zhí)行LW指令之后的所有指令，直到能夠通過定向解決該數(shù)據(jù)相關(guān)為止。

圖3.3.12為流水線互鎖插入暫停后流水線數(shù)據(jù)通路；

??? 圖3.3.13是 加入暫停前后的流水線時空圖。

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