計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第四章(編輯修改稿)
2025-02-08 15:52 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 算法的流水線(xiàn)需 3段： 1） 流出：從指令隊(duì)列的頭部取一條指令。 ? 如果沒(méi)有空閑的保留站，指令就不能流出。 （發(fā)生了結(jié)構(gòu)沖突） ? 如果該指令的操作所要求的保留站有空閑的，就把該指令送到該保留站。 （寄存器換名和對(duì)操作數(shù)進(jìn)行緩沖，消除 WAR沖突） ? 完成對(duì)目標(biāo)寄存器的預(yù)約工作 （消除了 WAW沖突） 指令的動(dòng)態(tài)調(diào)度 2）執(zhí)行 當(dāng)兩個(gè)操作數(shù)都就緒后，本保留站就用相應(yīng)的功能部件開(kāi)始執(zhí)行指令規(guī)定的操作。 （消除了 RAW沖突） 3）寫(xiě)結(jié)果 功能部件計(jì)算完畢后，就將計(jì)算結(jié)果放到 CDB上，所有等待該計(jì)算結(jié)果的寄存器和保留站（包括 store緩沖器）都同時(shí)從 CDB上獲得所需要的數(shù)據(jù)。 3. Tomasulo算法舉例 每個(gè)保留站有以下 6個(gè)字段：（ P121 圖 ） – Busy： 為 “ yes”表示本保留站或緩沖單元 “ 忙 ” 。 – Op： 要對(duì)源操作數(shù)進(jìn)行的操作。 – Vj， Vk： 源操作數(shù)的值。 – Qj， Qk： 將產(chǎn)生源操作數(shù)的保留站號(hào)。 ? 等于 0表示操作數(shù)已經(jīng)就緒且在 Vj或 Vk中，或者不需要操作數(shù)。 ? 對(duì)于每一個(gè)操作數(shù)來(lái)說(shuō)， V或 Q字段只有一個(gè)有效。 – A： 僅 load和 store緩沖器有該字段。開(kāi)始是存放指令中的立即數(shù)字段，地址計(jì)算后存放有效地址。 – Qi： 寄存器狀態(tài)表。 ? 每個(gè)寄存器在該表中有對(duì)應(yīng)的一項(xiàng)，用于存放將把結(jié)果寫(xiě)入該寄存器的保留站的站號(hào)。 ? 為 0表示當(dāng)前沒(méi)有正在執(zhí)行的指令要寫(xiě)入該寄存器，也即該寄存器中的內(nèi)容就緒。 指令的動(dòng)態(tài)調(diào)度 對(duì)于下述指令序列，給出當(dāng)?shù)谝粭l指令完成并寫(xiě)入結(jié)果時(shí)， Tomasulo算法所用的各信息表中的內(nèi)容。 F6,34（ R2） F2,45（ R3） F0,F2,F4 F8,F2,F6 F10,F0,F6 F6,F8,F2 指令的動(dòng)態(tài)調(diào)度 當(dāng)采用 Tomasulo算法時(shí)，在上述給定的時(shí)刻， load緩沖器、保留站以及寄存器狀態(tài)表中的內(nèi)容 。 指 令 指令狀態(tài)表 流出 執(zhí)行 寫(xiě)結(jié)果 F6 , 34(R2) √ √ √ F2 , 45(R3) √ √ F0 , F2 , F4 √ F8 , F6 , F2 √ F10 , F0 , F6 √ F6 , F8 , F2 √ 名稱(chēng) 保留站 Load1 Load2 Add1 Add2 Add3 Mult1 Mult2 Busy no yes yes yes no yes yes Op LD SUB ADD MUL DIV Vj Vk Mem[34+Regs[R2]] Reg[F4] Mem[34+Regs[R2]] Qj Load2 Add1 Load2 Mult1 Qk Load2 A 45+Regs[R3] 寄存器狀態(tài)表 F0 F2 F4 F6 F8 F10 ? F30 Qi Mult1 Load2 Add2 Add1 Mult2 ? F6,34（ R2） F2,45（ R3） F0,F2,F4 F8,F2,F6 F10,F0,F6 F6,F8,F2 動(dòng)態(tài)分支預(yù)測(cè)技術(shù) ? 動(dòng)態(tài)分支預(yù)測(cè)： 在程序運(yùn)行時(shí)，根據(jù)分支指令過(guò)去的表現(xiàn)來(lái)預(yù)測(cè)其將來(lái)的行為。 ? 如果分支行為發(fā)生了變化，預(yù)測(cè)結(jié)果也跟著改變。 ? 有更好的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度和適應(yīng)性。 ? 需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題 ? 如何記錄分支的歷史信息； ? 如何根據(jù)這些信息來(lái)預(yù)測(cè)分支的去向（甚至取到指令）。 動(dòng)態(tài)分支預(yù)測(cè)技術(shù) 一 .采用分支歷史表 BHT（ Branch History Table） ? 又稱(chēng)為分支預(yù)測(cè)緩沖器（ Branch Prediciton Buffer） ? 最簡(jiǎn)單的動(dòng)態(tài)分支預(yù)測(cè)方法。 ? 用 BHT來(lái)記錄分支指令最近一次或幾次的執(zhí)行情況（成功或不成功），并據(jù)此進(jìn)行預(yù)測(cè)。 1. 只有 1個(gè)預(yù)測(cè)位的分支預(yù)測(cè)緩沖 記錄分支指令最近一次的歷史， BHT中只需要 1位二進(jìn)制位。（最簡(jiǎn)單） 動(dòng)態(tài)分支預(yù)測(cè)技術(shù) ? 提高預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度 ? 研究結(jié)果表明： 兩位分支預(yù)測(cè)的性能與 n位（ n2）分支預(yù)測(cè)的性能差不多。 1）兩位分支預(yù)測(cè)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換如下所示： 分支預(yù)測(cè)： 不成功 分支預(yù)測(cè)： 成功 11 10 分支不成功 分支成功 分支不成功 分支成功 01 00 分支不成功 分支成功 分支不成功 分支成功 動(dòng)態(tài)分支預(yù)測(cè)技術(shù) 2）操作步驟： ? 分支預(yù)測(cè)。 – 當(dāng)分支指令到達(dá)譯碼段 （ ID） 時(shí)，根據(jù)從 BHT讀出的信息進(jìn)行分支預(yù)測(cè) 。 – 若預(yù)測(cè)正確，就繼續(xù)處理后續(xù)的指令，流水線(xiàn)沒(méi)有斷流。否則，就要作廢已經(jīng)預(yù)取和分析的指令，恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)，并從另一條分支路徑重新取指令。 ? 狀態(tài)修改。 動(dòng)態(tài)分支預(yù)測(cè)技術(shù) 3. BHT方法只在以下情況下才有用： – 判定分支是否成功所需的時(shí)間大于確定分支目標(biāo)地址所需的時(shí)間。 – 前述 5段經(jīng)典流水線(xiàn)：由于判定分支是否成功和計(jì)算分支目標(biāo)地址都是在 ID段完成，所以 BHT方法不會(huì)給該流水線(xiàn)帶來(lái)好處。 4. 研究結(jié)果表明： 對(duì)于 SPEC89測(cè)試程序來(lái)說(shuō)，具有大小為 4K的 BHT的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率為 82%～ 99%。 一般來(lái)說(shuō)，采用 4K的 BHT就可以了。 5. BHT可以跟分支指令一起存放在指令 Cache中，也可以用一個(gè)專(zhuān)門(mén)的硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)。 動(dòng)態(tài)分支預(yù)測(cè)技術(shù) 二 .采用 分支目標(biāo)緩沖器 BTB
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