【《硬件架构的艺术》读书笔记】06 流水线的艺术（3）

6.9 流水线冒险

冒险会干扰流水线并阻止下一条指令在目标时钟周期内的执行。冒险会降低流水线在理想情况下所能带来的速度提升。

冒险分类：

1、结构冒险：资源冲突导致硬件无法支持所有可能的指令组合同时执行。

2、数据冒险：指令执行需要之前指令计算结果，而这个结果还在流水线中没计算出来。

3、控制冒险：分支的流水线的其他指令改变程序计数器的值。

通用方法：停止流水线直至风险消除，在流水线中插入多个“气泡”。

6.9.1 结构冒险

 

 如图，MEM在一个周期内被两个指令使用，产生冲突。

解决方法：如图，停一个周期，待对MEM的冲突解除后再恢复流水线。

另一种方法：IF和MEM阶段使用不同的存储器来避免同时访问同一块存储器。缺点：消耗更多资源。

6.9.2 数据冒险

对于下面指令：

 

 

 

 如图，ADD之后的指令无法得到正确的执行结果，因为后续指令的ID阶段都需要ADD指令的结果。

 

 解决方法：数据/寄存器转移。大概意思就是把第一个指令的ALU寄存后直接输出到下一级ALU的输入。对于两个、三个周期后的指令，则需要把MEM输出、REG输出直接连接到后续流水线。

 

 对于下面指令：

 

 

 

 如图6.20，路径1永远无法实现，因为XOR指令需要在ALU输入端使用R1寄存器的值，该值在LW指令执行后才能更新。

简单的方法：使用纵向旗袍，将ALU周期延一个时钟。

 

 除了使用硬件技术，也可以使用基于编译器调度的软件方式来解决数据冒险的问题。这时，编译器跟踪每个寄存器中的数据，并重新安排指令次序阻止数据冒险的产生。

6.9.3 控制冒险

如下指令：

 

 T2在执行第二条指令时就需要PC值，但是该值要在第二条指令的MEM操作后才可能。

解决方法：分支语句中用新的PC值重新获取下一条指令。这种情况下，需要将流水线停止几个周期，直到重新获取下一条指令。如图：

 

 

 

 6.9.4 其他风险

指令获取或在数据读写时会访问存储器，指令获取时，数据应该由PC寄存器保持稳定。该值应该一直保持到把获取的指令写入IF/ID流水线寄存器的IR域为止。因此，对IF/ID寄存器的IR操作必须在PC写操作之前。

数据读写时，有效地址在EX阶段由ALU计算得到。在将存储器中的数据存入LMD寄存器或存储器写信号被激活使数据写入存储器之前，该地址不能变化。

6.10 ADC流水线——一个例子

 

 该ADC有四级流水线，每级流水线提供三位数字量，所以一共是12位ADC。每级流水线采样并得到差值传递到下一级，提高了ADC的处理能力。