CH4数据通路和流水线

概览

我们主要学习了三类指令

1. R型指令 (add,sub,srl等)

2. 数据传输指令(LW/SW 等)

3. 条件分支指令（beq,bne)

以及跳转指令和其他指令。

我们将会发现，底层的运行逻辑建立在如何执行这些操作。

以及我们需要明白一件事

整个数据通路和流水线，在做的事情就是传递数据信息和控制信息

数据通路

流水线

流水级

我们将流水线分为5个stage

1. IF: 取指令。
2. ID: 指令译码，读寄存器堆。
3. EX: 执行或计算地址。
4. MEM: 访问数据存储器。
5. WB: 写回。

问题

结构冒险 Structural Hazard

当多个流水级在同一时刻竞争同一个物理资源（如单一的内存端口）时，就会发生Structural Hazard。

数据信息问题-数据冒险

对于R型指令，比如add，我们会发现存在一些问题

add $t0 $s1 $s2
sub $t0 $t0 $s1

前一个指令在t2才能得到数据，后者在t3就需要数据。

后一条指令需要读取前一条指令写入的结果也就被称为Data harzard

Bypass

通过Bypass实现数据的传播，将原本wb之后才能得到的数据提前传输。

该技术允许数据在未正式写回寄存器堆之前，直接从内部缓冲区或寄存器传递到需要它的单元。

load-use Data harzard

虽然旁路可以解决相邻流水级的数据传输。

但是如果间隔太大呢。

比如 lw 需要在 MEM 获得数据

但是add 需要 EX 使用数据

中间只能通过 nop 阻塞和 bypass来实现

控制信息问题-控制冒险

什么能够影响到控制信息呢？

分支指令。

当我们在执行的时候，我们无法知道后面的指令是否有必要执行，这也就造成了一种不确定性

1. 阻塞：通过气泡，得到结果后在执行后面的操作（最为朴素的做法）
2. 预测：也就是前面的八大思想之一