408強化課錄播五級流水線相關內容筆記
- 指令流水線基本概念：簡單的概念題
- 指令流水線基本實現：指令按序發射，按序完成
- 各種冒險：結合MIPS指令序列分析並處理冒險
- 超標量和動態流水線：簡單的概念題
五級流水線
五級流水線的設計是為了透過並行提高處理器的吞吐量。
圖片來自CSAPP。
一個指令通常被劃分為五個階段：
- 取指（IF）
- 譯碼（ID）
- 執行（EX）
- 訪存（MEM）（如果需要的話）
- 寫回（WB）（如果需要的話）
總體的圖如下
結構冒險(考的少)
一個被請求的資源仍處於忙碌狀態。
多個階段可能請求同一份資源，例如IF和MEM需要同一塊Cache，就會發生結構冒險。
解決方法有：
- 阻塞指令
- 把指令Cache和資料Cache分離
資料冒險
需要等待上一個指令完成資料讀寫。
如上圖所示，因為指令I1對暫存器R1的寫操作發生在WB寫回階段，因此指令I2在ID譯碼階段需要讀暫存器時，R1的值還沒有被寫回，這就是資料冒險。
核心特點：兩條指令，先寫後讀同一個暫存器。如果某條指令寫了一個暫存器，則要觀察後面三條指令是否讀了這個暫存器。（個人感覺可能畫圖更直觀）
解決方案：
- 硬體阻塞：將讀暫存器的指令ID段阻塞若干時鐘，直到寫暫存器的指令完成WB。
- 轉發（旁路）技術：將寫暫存器的資料直接轉發給讀暫存器的指令。但轉發旁路不能解決Load指令寫暫存器引發的Load-Use資料冒險。
Load-Use資料冒險
Load指令把資料從記憶體讀到暫存器，後面的指令需要用到這個暫存器的值。這種情況下，即使使用轉發技術也無法解決資料冒險。
控制冒險
一些控制取決於上一條指令的結果。
轉移類指令會更改PC，因此下一條指令不是I2而是其他，會產生控制冒險。
解決方案：
- 硬體阻塞：將轉移類指令後一條指令IF段阻塞3時鐘
冒險總結
