流水線中的相關培訓教程2

Word流水線中的相關培訓教程[2]

流水線中的相關培訓教程[2]

（AD）D指令后的所有指令都要用到ADD指令的計算結(jié)果，如圖3.3.4所示，ADD指令在WB段才將計算結(jié)果寫入（寄存器）R1中，但是SUB指令在其ID段就要從寄存器R1中讀取該計算結(jié)果，這種情況就叫做數(shù)據(jù)相關。除非有措施防止這一情況出現(xiàn)，否則SUB指令讀到的是錯誤的值。所以，為了保證上述指令序列的正確執(zhí)行，流水線只好暫停ADD指令之后的所有指令，直到ADD指令將計算結(jié)果寫入寄存器R1之后，再啟動ADD指令之后的指令繼續(xù)執(zhí)行。

從圖3.3.4還可以看到，AND指令同樣也將受到這種相關關系的影響。ADD指令只有到第五個（時鐘）周期末尾才能結(jié)束對寄存器R1的寫操作，所以AND指令在第四個時鐘周期從寄存器R1中讀出的值也是錯誤的。而XOR指令則可以正常操作，因為它是在第六個時鐘周期讀寄存器R1的內(nèi)容。

另外，利用DLX流水線的一種簡單技術，可以使流水線順利執(zhí)行OR指令。這種技術就是：在DLX流水線中，約定在時鐘周期的后半部分進行寄存器文件的讀操作，而在時鐘周期的前半部分進行寄存器文件的寫操作。在本章的圖中，我們將寄存器文件的邊框適當?shù)禺嫵商摼€來表示這種技術。

2.通過定向技術減少數(shù)據(jù)相關帶來的暫停

圖3.3.4中的數(shù)據(jù)相關問題可以采用一種稱為定向（也稱為旁路或（短路））的簡單技術來解決（動畫演示）。定向技術的主要思想是：在某條指令（如圖3.3.4中的ADD指令）產(chǎn)生一個計算結(jié)果之前，其它指令（如圖3.3.4中的SUB和AND指令）并不真正需要該計算結(jié)果，如果能夠?qū)⒃撚嬎憬Y(jié)果從其產(chǎn)生的地方（寄存器文件EX/MEM）直接送到其它指令需要它的地方（ALU的輸入寄存器），那么就可以避免暫停?；谶@種考慮，定向技術的要點可以歸納為：

(1)寄存器文件EX/MEM中的ALU的運算結(jié)果總是回送到ALU的輸入寄存器。

(2)當定向硬件檢測到前一個ALU運算結(jié)果的寫入寄存器就是當前ALU操作的源寄存器時，那么控制邏輯將前一個ALU運算結(jié)果定向到ALU的輸入端，后一個ALU操作就不必從源寄存器中讀取操作數(shù)。

圖3.3.4還表明，流水線中的指令所需要的定向結(jié)果可能并不僅僅是前一條指令的計算結(jié)果，而且還有可能是前面與其不相鄰指令的計算結(jié)果，圖3.3.5是采用了定向技術后上述例子的執(zhí)行情況，其中寄存器文件和功能單元之間的箭頭表示定向路徑。上述指令序列可以在圖3.3.5中順利執(zhí)行而無需暫停。

上述定向技術可以推廣到更一般的情況，可以將一個結(jié)果直接傳送到所有需要它的功能單元。也就是說，一個結(jié)果不僅可以從某一功能單元的輸出定向到其自身的輸入，而且還可以從某一功能單元的輸出定向到其它功能單元的輸入。

在DLX中，任何流水線寄存器到任何功能單元的輸入都可能需要定向路徑。前面的一些數(shù)據(jù)相關的實例均是有關寄存器操作數(shù)的，但是數(shù)據(jù)相關也有可能發(fā)生在一對指令對（存儲器）同一單元進行讀寫的時候。不過，本章僅討論有關寄存器的數(shù)據(jù)相關。

3.數(shù)據(jù)相關的分類

根據(jù)指令對寄存器的讀寫順序，可以將數(shù)據(jù)相關分為三類。習慣上，這些相關是根據(jù)流水線所必須保持的訪問順序來命名的?？紤]流水線中的兩條指令i和j，且i在j之