【文章內(nèi)容簡介】 ?用 Tomasulo方法進行動態(tài)調(diào)度 算法由 Robert Tomasulo 提出，通過對操作數(shù)何時可用進行跟蹤以 減少 RAW冒險 ，通過引入寄存器 重命名 減少 WAW和 WAR冒險 。該方法的 改進版本 的共同特點是通過跟蹤指令的相關性使指令在操作數(shù)可用時立即開始執(zhí)行，通過寄存器重命名減少數(shù)據(jù)冒險。 寄存器重命名 是指通過重命名所有的目標寄存器，包括指令序列中 位置靠前 的指令 將要讀和寫的寄存器 。 采用動態(tài)調(diào)度克服數(shù)據(jù)冒險 ? 保留站 ： 在 Tomasulo算法中，寄存器重命名是通過 保留站 實現(xiàn)的，保留站為等待發(fā)射的指令保存操作數(shù)?；舅枷胧牵? 當 操作數(shù)可用時 ， 保留站 馬上 取操作數(shù) 并將其 緩存，從而 避免從寄存器中讀操作數(shù) ； 即將執(zhí)行的指令 指定保留站為其提供數(shù)據(jù)輸入 ； 當對寄存器的后續(xù)寫操作在執(zhí)行過程中發(fā)生重疊時，只允許 最后一個 實際 更新寄存器 。 在指令被發(fā)射后，它所需要的操作數(shù)所對應的 寄存器被重命名為保留站的名字 采用動態(tài)調(diào)度克服數(shù)據(jù)冒險 ?保留站 保留站與寄存器堆相比有兩個重要特點，首先，冒險檢測和執(zhí)行控制是分布的，一個單元中的指令何時可以開始執(zhí)行是由該單元 保留站所掌握的信息決定的 ；其次，結果將從緩存它們的 保留站中直接傳送給功能單元 ，而 不是通過寄存器傳送 ，這是通過一條公共結果總線 /公共數(shù)據(jù)總線 實現(xiàn)的，它使得等待操作數(shù)的所有單元可以同時取到操作數(shù)。 采用動態(tài)調(diào)度克服數(shù)據(jù)冒險 ? Tomasulo算法處理器結構 該處理器基本結構見圖 ，包括浮點單元和 loadstore單元。每個 保留站保存一條 已經(jīng) 被發(fā)射并等待執(zhí)行的指令 ，如果指令所需要的操作數(shù)已經(jīng)被計算出來，那么保留站 需要保存該操作數(shù) ，否則要保存將要提供該操作數(shù)的 保留站的名字 。 loadstore緩存 保存從存儲器中讀出或即將要保存到存儲器中去的 數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)地址 。 浮點寄存器 通過 一對總線 和 功能單元相連 ，通過一條 單獨的總線和 store緩存相連 。從功能單元和存儲器中得到的 結果被送往公共數(shù)據(jù)總線 。 保留站均設置 標簽域 ，用于 流水線控制 。 采用動態(tài)調(diào)度克服數(shù)據(jù)冒險 ?指令運行的三個階段 發(fā)射 ：從指令隊列中 取到下一條指令 ，指令隊列按 FIFO順序維護，以保證正確的數(shù)據(jù)流。如果有匹配的 空閑保留站 ，并且指令的 操作數(shù)的值也保存 在寄存器中 ，則將指令和操作數(shù)的值 一起發(fā)射到該保留站中 。如果 沒有空閑 的保留站，則說明發(fā)生 結構冒險 ，指令會被 停頓 ，直至 出現(xiàn)可用的保留站 或緩存。如果 操作數(shù)不在寄存器中 ，則需要 跟蹤 將要產(chǎn)生該操作數(shù)的功能單元 ，寄存器重命名在這一步進行。 采用動態(tài)調(diào)度克服數(shù)據(jù)冒險 ?指令運行的三個階段 執(zhí)行 ：如果有一個或多個操作數(shù)處于不可用狀態(tài)，則監(jiān)視公共數(shù)據(jù)總線，等待這些操作數(shù)被計算出來。當一個 操作數(shù)可用時 ，該操作數(shù)將被放 入等待它的保留站中 。當指令所需的所有操作數(shù)都已 就緒 時，該指令將 在相應的功能單元中執(zhí)行 。通過在操作數(shù)可用之前 延遲指令的執(zhí)行，避免了 RAW冒險 。如果多條指令在同一個時鐘周期內(nèi)就緒，則功能單元將被迫在就緒指令間 做出選擇 。 采用動態(tài)調(diào)度克服數(shù)據(jù)冒險 ?指令運行的三個階段 執(zhí)行 ：為了保護異常行為，在程序順序中的所有前序轉移完成之前，任何指令都不能開始執(zhí)行。這個約束可以確保在執(zhí)行過程中引起異常的指令會被執(zhí)行。 寫結果 ：當結果就緒時，將其寫到公共數(shù)據(jù)總線上，并由此送往等待它的寄存器和保留站。 當指令已經(jīng)被發(fā)射且正在等待源操作數(shù)時， 標簽字段 將 指向 包含將產(chǎn)生源操作數(shù)指令的 保留站號，比如 0則表明操作數(shù)已經(jīng)在寄存器中就緒。 采用動態(tài)調(diào)度克服數(shù)據(jù)冒險 ? Tomasulo算法 Tomasulo方法采用 總線廣播結果 的方式，由保留站監(jiān)聽，這種方法實現(xiàn)了靜態(tài)流水線調(diào)度中直接通路和旁路技術的功能，而在動態(tài)調(diào)度方法中，為了達到同樣的目標， 需要在源和結果之間增加一個時鐘周期的時延 ，與功能單元產(chǎn)生結果相比，動態(tài)調(diào)度流水線中生產(chǎn)指令和消費指令之間的有效時延至少要 多花一個時鐘周期 。 每個保留站有七個字段，見 P66. 基于硬件的推測 當我們試圖進一步開發(fā)指令級并行時， 維護控制相關性便成為一個嚴重的負擔 。轉移預測技術減少了直接由轉移引起的停頓，但是要想使處理器在一個時鐘周期內(nèi)執(zhí)行多條指令， 僅靠轉移預測恐怕無法使我們獲得期望的指令級并行度 。為了保持最高性能，一個寬發(fā)射處理器可能需要 每個時鐘周期都執(zhí)行一條轉移指令 ，因此，要想進一步開發(fā)并行度，就必須克服控制相關帶來的問題?？梢?通過推測轉移的結果 ， 并按照推測正確的情況執(zhí)行指令 ，以達到克服控制相關的目的。 基于硬件的推測 ? 基于硬件的推測綜合以下三種思想 通過動態(tài)轉移預測 選擇 要執(zhí)行的指令，通過推測技術 允許指令在控制相關消除之前開始執(zhí)行（能夠消除錯誤推測序列的影響），通過 動態(tài)調(diào)度 處理幾個不同的 基本塊之間的調(diào)度 （作為比較，沒有推測的動態(tài)調(diào)度只能在基本塊之間實現(xiàn)部分重疊） 基于硬件的推測 ? 基于硬件的推測 為了擴展 Tomasulo算法并使其支持推測技術，必須 將指令結果的旁路操作 （推測執(zhí)行指令需要指令結果的旁路操作） 從實際的指令完成中分離出來 。通過這種分離，可以允許指令將它的執(zhí)行結果旁路給其他指令，而在確定而不是推測指令的 執(zhí)行之前 ， 不允許做任何更新 。 基于硬件的推測 ? 基于硬件的推測 實現(xiàn)推測技術的 關鍵思想 是允許 指令亂序執(zhí)行，但是要求指令 必須按序提交 ，并且在指令提交之前 阻止所有不可恢復的動作