流水線中的相關培訓教程[3]

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

??? (2) 寫后寫相關（WAW：Write After Write ）：j 和 i 的目的寄存器相同，當它們在流水線中重疊執(zhí)行時，j 可能在 i 寫入其計算結果之前就先行對該結果寄存器進行寫操作，從而導致寫入順序錯誤，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行寫操作，或者當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，就可能會產生這種類型的數(shù)據(jù)相關。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。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。首先，將 ALU 運算結果的寫回操作移到 MEM 段進行，因為這時計算結果已經有效；其次，假設訪問數(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 中的內容是第一條指令（LW）的寫入結果，而不是 ADD 指令的寫入結果。這就是由于 WAW 相關所帶來的錯誤執(zhí)行結果。

??? (3) 讀后寫相關（WAR：Write After Read ）：j 可能在 i 讀取某個源寄存器的內容之前就先對該寄存器進行寫操作，導致 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 流水線中不會產生這種類型的數(shù)據(jù)相關?；谏厦嫘薷暮蟮?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果寫回寄存器 R2，則 SW 將讀取錯誤的值，將 ADD 指令的計算結果寫入存儲器中。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)相關問題。

4. 需要暫停的數(shù)據(jù)相關

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

??? 為了保證流水線正確執(zhí)行上述指令序列，可以設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，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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