流水線中的相關培訓教程[4]

下面討論如何利用編譯器技術來減少這種必須的暫停，然后論述如何在流水線中實現數據相關檢測和定向。

??? 5. 對數據相關的編譯器調度方法

??? 流水線常常會遇到許多種類型的暫停。比如，采用典型的代碼生成方法對A = B + C這種常用的表達式進行處理，可以得到如圖3.3.14所示的指令序列。從圖3.3.14可以看出，在 ADD 指令的流水過程中必須插入一個暫停時鐘周期，以保證變量C的讀入值有效。既然定向無法消除指令序列中所包含的這種暫停，那么能否讓編譯器在進行代碼生成時就消除這些潛在的暫停呢？

實際上，編譯器的確可以通過重新組織代碼順序來消除這種暫停。通常稱這種重新組織代碼順序消除暫停的技術為流水線調度（pipeline scheduling）或指令調度（instruction scheduling）。

??? 例 3.6 請為下列表達式生成沒有暫停的DLX代碼序列。假設載入延遲為1個時鐘周期。

??? a = b - c；

??? d = e - f；

??? 解： 調度前后的指令序列如表3.2所示。可以看出，兩條ALU指令（ADD Ra，Rb，Rc 和 SUB Rd，Re，Rf）分別和兩條Load指令（LW Rc，c和LW Rf，f）之間存在數據相關。為了保證流水線正確執行調度前的指令序列，必須在指令執行過程中插入兩個時鐘周期的暫停。但是考察調度后的指令序列不難發現，由于流水線允許定向，就不必在指令執行過程中插入任何暫停周期。

6. 對DLX流水線控制的實現

??? 讓一條指令從流水線的指令譯碼段（ID）移動到執行段（EX）的過程通常稱為指令發射，而經過了該過程的指令為已發射的指令。

??? 對于 DLX 標量流水線而言，所有的數據相關均可以在流水線的 ID段 檢測到，如果存在數據相關，指令在其發射之前就會被暫停。這樣，我們可以在 ID段 決定需要什么樣的定向，然后設置相應的控制。在流水線中較早地檢測到相關，可以降低實現流水線的硬件復雜度，因為這樣不必在流水過程中被迫將一條已經改變了機器狀態的指令掛起。另外一種方法是在使用一個操作數的時鐘周期開始（DLX 流水線的 EX 和 MEM 段的開始）檢測相關，確定必需的定向。

??? 為了說明這兩種方法的不同，我們將以 Load 指令所引起的 RAW 相關為例，論述如何通過在 ID段 的檢測來實現流水線控制，其中到 ALU 輸入的定向路徑可以在 EX 段。表3.3列出了流水線相關檢測硬件可以檢測到的各種相關情況。

?現在來看看如何實現流水線互鎖。如果某條指令和 Load 指令有一個 RAW 相關時，該指令處于 ID段，Load 指令處于 EX段。我們可以用表3.4來描述此時所有可能的相關情況。

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