408五级流水线强化课笔记

408强化课录播五级流水线相关内容笔记

• 指令流水线基本概念：简单的概念题
• 指令流水线基本实现：指令按序发射，按序完成
• 各种冒险：结合MIPS指令序列分析并处理冒险
• 超标量和动态流水线：简单的概念题

五级流水线

五级流水线的设计是为了通过并行提高处理器的吞吐量。

图片来自CSAPP。
一个指令通常被划分为五个阶段：

• 取指（IF）
• 译码（ID）
• 执行（EX）
• 访存（MEM）（如果需要的话）
• 写回（WB）（如果需要的话）
  总体的图如下
  

结构冒险(考的少)

一个被请求的资源仍处于忙碌状态。

多个阶段可能请求同一份资源，例如IF和MEM需要同一块Cache，就会发生结构冒险。
解决方法有：

• 阻塞指令
• 把指令Cache和数据Cache分离

数据冒险

需要等待上一个指令完成数据读写。

如上图所示，因为指令I1对寄存器R1的写操作发生在WB写回阶段，因此指令I2在ID译码阶段需要读寄存器时，R1的值还没有被写回，这就是数据冒险。
核心特点：两条指令，先写后读同一个寄存器。如果某条指令写了一个寄存器，则要观察后面三条指令是否读了这个寄存器。（个人感觉可能画图更直观）

解决方案：

• 硬件阻塞：将读寄存器的指令ID段阻塞若干时钟，直到写寄存器的指令完成WB。
• 转发（旁路）技术：将写寄存器的数据直接转发给读寄存器的指令。但转发旁路不能解决Load指令写寄存器引发的Load-Use数据冒险。

Load-Use数据冒险

Load指令把数据从内存读到寄存器，后面的指令需要用到这个寄存器的值。这种情况下，即使使用转发技术也无法解决数据冒险。

控制冒险

一些控制取决于上一条指令的结果。

转移类指令会更改PC，因此下一条指令不是I2而是其他，会产生控制冒险。
解决方案：

• 硬件阻塞：将转移类指令后一条指令IF段阻塞3时钟

冒险总结