Pipeline

流水线

面积换性能

• 流水线
  • 一个周期执行多条指令
  • 需要额外寄存器
  • 每级流水线内部有各自的组合逻辑数据通路，硬件资源无复用。
• 状态机
  • 几个周期执行一条指令
  • 硬件资源可以复用

流水线深度

• 流水线越深

  • 吞吐率高，性能高

  • 面积开销大

  • 反压

    ？

  • 分支预测失败/流水线冲刷(Pipeline Flush)

    取值阶段无法得知结果是否跳转，只能进行预测。

    若预测失败，需要将预取的错误指令流全部丢弃，重新取正确的指令流。

    流水线越深，则预取了更多的错误指令，性能的损失、功耗的浪费越严重。

• 流水线越浅

  • 面积开销小，功耗低
  • 性能弱

反压

？

• 取消握手
• 乒乓缓存
• 前向旁路缓存

流水线冲突

• 资源冲突

  • 最常见的是运算单元的冲突

    例：除法运算需要多个周期，若前序除法指令完成运算之前，后序除法指令也需要除法器，则存在资源冲突

  • 解决方法：复制硬件资源、流水线停顿等

• 数据冲突

  • WAR相关性（先读后写相关性）

    后序指令不能比和它有WAR相关性的前序指令先执行。

    否则后序指令先写回结果到通用寄存器组，导致前序指令读取错误的操作数。

  • WAW相关性（先写后写相关性）

    后序指令不能比和它有WAW相关性的前序指令先执行。

    否则后序指令先写回结果，导致前序指令再写回结果，导致结果被覆盖。

  • RAW相关性（先写后读相关性）

    后序指令不能比和它有RAW相关性的前序指令先执行。

    否则前序指令未写回结果，导致后序指令读取错误的操作数。

  • 解决方法

    • WAR、WAW

      寄存器重命名 (Register_renaming)

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    • RAW：真数据相关

      动态调度 (Tomasulo_algorithm)

      • 采用数据旁路传播，尽可能让前序指令的计算结果更快地旁路传播给后序指令的操作数。

      • 尽可能让后序指令在等待过程中不阻塞流水线，让其他无关的指令继续执行。

      • 在每个运算单元前配置乱序发射队列。

        发射队列仅追踪RAW相关性，并不存放操作上，因此可以做到很深。

        在发射队列中的指令一旦解除相关性，再从发射队列中发射出来读取物理寄存器组，然后再发送给运算单元开始计算。