4、流水线数据相关处理教学课件

1、流水线数据相关处理谭志虎1指令流水线的相关、冲突、冒险（hazard）n 资源相关p 争用主存：IF段取指令、ID段取操作数p 争用ALU：多周期方案中计算PC、分支地址，运算指令 p 解决方案：增加部件消除n 分支相关p 控制IF段进行分支跳转p 提前取出的指令作废，流水线清空n 数据相关p 指令操作数依赖于前一条指令的执行结果 ADD $s1, $s2, $s3p 引起流水线停顿直到数据写回 ADD $s4, $s1, $s32数据相关CLKCLKCLKIF/IDID/EXALUZeroResultADDADDR1#寄存器文件RD1DinR2#RD2W#MUX01符号扩展MUX01ADDR

2、指令存储器RD4PCEX/MEMMEM/WB左移2位ADDR数据存储器RDWD立即数Write Reg#1632CLKCLKCLKCLK指令MUX01ALU.ResultPC+4ALU.ResultRD1RD2add $3,$1,$2or $1,$1,$2lw $1,4($2)n ID段所需数据可能还未及时写回，涉及EX、MEM、WB段3条指令MEM.ReadData译码ID执行EX访存MEM写回WB取指令IFand $1,$1,$23数据相关处理机制u软件方法（编译器完成）u 插入空指令u 调整程序顺序，使相关性在流水线中消失u硬件方法u 插入气泡（空操作）p 向后段插入气泡（接口信号清零）

3、p 向前给出阻塞信号（流水线停顿）避免当前指令被新指令取代u 数据重定向bypass（数据旁路）u将后端处理后的数据（还没来得及写回）重定向u数据在哪就从哪送到运算器4ID段与WB段数据相关消除先写后读，寄存器文件下跳沿写入，流水接口上跳沿有效CLKCLKCLKIF/IDID/EXALUZeroResultADDADDR1#寄存器文件RD1DinR2#RD2W#MUX01符号扩展MUX01ADDR指令存储器RD4PCEX/MEMMEM/WB左移2位ADDR数据存储器RDWD立即数Write Reg#1632CLKCLKCLKCLK指令MUX01ALU.ResultPC+4ALU.ResultR

4、D1RD2add $3,$1,$2lw $1,4($2)MEM.ReadData译码ID执行EX访存MEM写回WB取指令IF5ID段与MEM段数据相关IF段，ID段暂停等待数据写回，EX段插入气泡CLKCLKCLKIF/IDID/EXALUZeroResultADDADDR1#寄存器文件RD1DinR2#RD2W#MUX01符号扩展MUX01ADDR指令存储器RD4PCEX/MEMMEM/WB左移2位ADDR数据存储器RDWD立即数Write Reg#1632CLKCLKCLKCLK指令MUX01ALU.ResultPC+4ALU.ResultRD1RD2add $3,$1,$2lw $2,4

5、($2)MEM.ReadData译码ID执行EX访存MEM写回WB取指令IFand $1,$1,$2or $3,$1,$2暂停stall插入气泡正确数据6ID段与MEM段数据相关下一时刻数据相关变成与WB段相关CLKCLKCLKIF/IDID/EXALUZeroResultADDADDR1#寄存器文件RD1DinR2#RD2W#MUX01符号扩展MUX01ADDR指令存储器RD4PCEX/MEMMEM/WB左移2位ADDR数据存储器RDWD立即数Write Reg#1632CLKCLKCLKCLK指令MUX01ALU.ResultPC+4ALU.ResultRD1RD2add $3,$1,$2

6、MEM.ReadData译码ID执行EX访存MEM写回WB取指令IFand $1,$1,$2or $3,$1,$2nop7ID段与EX段数据相关IF段，ID段暂停等待数据写回，EX段插入气泡CLKCLKCLKIF/IDID/EXALUZeroResultADDADDR1#寄存器文件RD1DinR2#RD2W#MUX01符号扩展MUX01ADDR指令存储器RD4PCEX/MEMMEM/WB左移2位ADDR数据存储器RDWD立即数Write Reg#1632CLKCLKCLKCLK指令MUX01ALU.ResultPC+4ALU.ResultRD1RD2add $3,$1,$2lw $2,4($2

7、)MEM.ReadData译码ID执行EX访存MEM写回WB取指令IFand $3,$1,$2or $1,$1,$2暂停stall插入气泡正确数据8ID段与EX段数据相关CLKCLKCLKIF/IDID/EXALUZeroResultADDADDR1#寄存器文件RD1DinR2#RD2W#MUX01符号扩展MUX01ADDR指令存储器RD4PCEX/MEMMEM/WB左移2位ADDR数据存储器RDWD立即数Write Reg#1632CLKCLKCLKCLK指令MUX01ALU.ResultPC+4ALU.ResultRD1RD2add $3,$1,$2MEM.ReadData译码ID执行EX

8、访存MEM写回WB取指令IFand $3,$1,$2or $1,$1,$2暂停stallnop下一时刻相关变成与MEM段相关插入气泡正确数据9ID段与EX段数据相关CLKCLKCLKIF/IDID/EXALUZeroResultADDADDR1#寄存器文件RD1DinR2#RD2W#MUX01符号扩展MUX01ADDR指令存储器RD4PCEX/MEMMEM/WB左移2位ADDR数据存储器RDWD立即数Write Reg#1632CLKCLKCLKCLK指令MUX01ALU.ResultPC+4ALU.ResultRD1RD2add $3,$1,$2MEM.ReadData译码ID执行EX访存M

9、EM写回WB取指令IFor $1,$1,$2nop再下一时刻相关变成与WB段相关nop10I4数据相关流水线时空图I1I2I3I4I5I5I5I6I7I1I2I3I4I5I6I1I2I4I5I1I2I4I1I2I3时间tIFIDEXMEM空间sWBI2I3流水线暂停两个时钟周期T2T3T4T5T6T7T8T9T0I4I3I3I1I7I6I5I4I8I411数据相关处理总结n ID段与WB段相关p 寄存器文件先写后读（下跳沿写入）n ID段与EX、MEM段数据相关p 在ID段增加数据相关检测逻辑p IF段，ID段暂停，应该给出PC和ID/EX的阻塞信号stall（低电平有效，流水线停顿）u控制P

10、C写使能，IF/ID流水接口写使能u需要增加IF/ID流水接口的写使能接口p ID向EX段插入一个气泡 （给出ID/EX接口同步清零信号）p 下一时刻如果相关解除，暂停信号，气泡信号也自然解除12数据相关检测逻辑n 相关检测逻辑p ID段当前指令读寄存器与后续2条指令写寄存器相同u(ID.ReadReg# = EX.WriteReg#） & （ EX.RegWrite=1）u(ID.ReadReg# = MEM.WriteReg#） & （MEM.RegWrite=1）u0号寄存器不考虑相关性n ID段包括02个源寄存器：R1，R2 是否使用标识：R1_Used,R2_Used

11、p R型指令u运算指令2个源操作数R1#=rs, R2#=rtusyscall指令 2个源操作数 R1#=$v0, R2#=$a0uJr 指令1个源操作数 R1#=rsp I型指令 12两个源操作数 R1#=rs, R2#=rtn 不同类型指令包含写入01个写入寄存器13数据相关处理实验n 实现数据相关检测逻辑p 构建源寄存器使用情况子电路u输入：OP，Funct，输出：R1_Used， R2_Used，可利用控制器真值表自动生成p 构建数据相关检测逻辑子电路u输入：R1 _Used, R2 _Used，R1#，R2#，EX.WriteReg#, MEM.WriteReg#，RegWriteu输出：数据相关信号n 实现IF，ID段暂停逻辑p 利用数据相关信号控制对应部件写使能，低电平有效n 实现EX段插入气泡逻辑p 利用数据相关信