CA-第十三讲

[[计算机体系结构]]

Reservation Station 结构

Op: 部件所进行的操作
Vj, Vk: 源操作数的值。Store 缓冲区有Vk域，用于存放要写入存储器的 值。V域和Q域不同时有效。
A：存放存储器地址。开始存立即数，计算出有效地址后，存放有效地址
Qj, Qk: 产生源操作数的保留站号
✓ 没有记分牌中的准备就绪标志， Qj, Qk=0 => ready
✓ Store 缓存区只有Qk表示产生结果的保留站号
Busy: 标识保留站RS或相应的功能部件FU是否空闲

Register result status—如果存在对寄存器的写操作，指示对该寄存器 进行写操作的部件. Qi: 保留站的编号

Tomasulo实例

Note：不像是记分牌，两个Lw指令可以一起流出

在第六拍的时候所有指令就全部流出了

减法完成之后，需要去做什么？可以看到加法指令在第八拍的时候需要

Add2拿到的两个操作数之后就立即启动

加法做完之后也可以把结果写回 这是和记分牌最不一样的地方

根本上来讲也是按序的流出，乱序的进行执行，乱序的写入

基于Tomasulo算法的动态循环展开

为了保证正确的异常行为，Tomasulo算法对指令的执行有一个限制：一旦有一条分支指令还没有执行完，其后的指令是不允许进入执行段的

动态存储器地址判别技术，解决存储器访问的时候的RAW、WAW、WAR冲突

第一次取数LD，由于Cache miss,需要8个时钟周期延迟，之后的取数LD，只需要一个时钟周期，存数SD需要3个时钟周期。

乘法需要4个时钟周期

Tomasulo循环实例

Loop： LD F0, 0(R1)
MULTD F4, F0, F2
SD 0(R1), F4
SUBI R1, R1, #8
BNEZ R1, Loop

存在隐含的换名情况

[[课件综合/计算机体系结构 - 第13讲.pdf#page=35&selection=236,0,239,7|计算机体系结构 - 第13讲, page 35]]

F0被动态的消除了

Tomasulo算法的优点

分布式硬件冲突检测

利用寄存器换名，彻底消除WAW和WAR这两种名相关

如果多个保留站等待同一个操作数，当操作数在CDB上广播的时候，它们可以同时获得所需要的数据

对于存储器访问，动态存储器地址判别技术可以解决RAW冲突（取操作数的时候判断）、WAR和WAW冲突（存操作数的时候判断）

能够达到很高的性能

Tomasulo 算法的缺点

高复杂性：需要大量的硬件

存在瓶颈：单个数据总线会引发竞争

需要额外的数据总线：在每个保留站上需要为每条总线都设置重复的硬件接口

为了保证正确的异常行为，对指令的执行有一个限制：

一旦有一条指令还没有执行完，其后的指令是不允许进入执行段

动态调度方法中的异常行为处理

指令乱序大大增加了异常处理的复杂度。

不精确异常（Imprecise Exeption）：当指令i导致发生异常的时候，处理机的现场（状态）和严格按照程序顺序执行不相同。

精确异常(Precise Exception)：处理机现场和严格按照程序新婚徐执行的时候指令i的现场相同

不精确异常产生的原因：

:heavy_check_mark: 流水线可能已经执行完按照程序顺序是位于指令i之后的指令

:heavy_check_mark:流水线可能还没有完成按照程序顺序是指令i之前的指令

动态调度方法中的异常行为处理

ADD指令LW指令SUB指令没有数据相关，可以乱序执行

SUB指令在LW指令执行完之前，更改R7

但是LW指令可能会硬气存储器的异常（如访存缺页、访存越界等）

控制相关的动态解决技术

分支预测缓冲

动态分支的两个理由

• n流出的处理器加速上限为n倍
• Amdahl定律提示：在较低CPI机器上，控制相关导致的空转对机器性能影响大

前面解决控制相关的静态策略

• 需要编译器将一条或者多条指令移动到流水线产生的分支延迟槽中

关于分支预测的两部分工作

• 预测的分支是否成功
• 执行分支目标指令

分支预测的效果

预测的准确率

分支的开销

• 预测正确的开销
• 预测错误的开销
• 决定分支开销的因素：流水线的结构、预测的方法、预测错误的时候的回复策略等

分支预测缓冲（BPB）：原理

最简单的分支预测策略

BPB也被称为BHT（Branch History Table,BHT）

分支预测缓冲是一个小的存储器阵列

• 每个单元最小可以只有一位，记录最近一次的分支是否成功的信息
• 预测位为1的时候，标识预测分支成功，并从目标分支位置开始取指令
• 在预测错误的时候，要作废已经预取和分析的指令，恢复现场，并从零一条分支路径重新取指令

分支预测指令不成功和重新执行过程

一位的BOB的状态图

这种单位预测策略：

• 当分支不成功的时候，将会发生连续两次预测出错
• 2位预测策略能够改善这种情况

2位BPB工作原理

在两位的预测策略中，一个预测必须错误两次才会改变。

对于一个2096条记录的BPB，利用两位预测策略，用SPEC89测试，命中率位82%到99%

准确率最高的测试程序一般包含大量的循环

没有循环的线性代码一般准确率最差

还有另外一种的状态转化图：

4096单元2位BPB的预测错误率

测试程序位SPEC89

整数测试程序：平均11%

• gcc, espresso,eqntott,li

浮点测试程序：平均4%

• nasa7,matrix300,tomcatv

为什么？

BPB实现

BPB的实现方案

• 实现一个小而特殊的”cache“，利用指令地址进行寻址，在IF流水段访问
• 为指令cache中每一块增加附加位，与指令一起取出

如果一个指令在ID段被译码位分支指令，且对应的BPB标志位预测其成功，则

• 一旦PC已知，立刻从分支目标位置开始取指

对于改进MIPS，分支判断和计算分支目标地址都在ID段完成，BPB无效果