【文章內(nèi)容簡介】 D F10 F0 F6 乘法 1 no yes 結(jié)果寄存器狀態(tài)表 F0 F2 F4 F6 F8 F10 … F30 部件名稱 乘法 1 整數(shù) 加法 除法 51／ 81 例 假設(shè)浮點(diǎn)流水線中執(zhí)行的延遲如下： 加法需 2個(gè) 時(shí)鐘周期 乘法需 10個(gè) 時(shí)鐘周期 除法需 40個(gè) 時(shí)鐘周期 代碼段和記分牌信息的起始點(diǎn)狀態(tài) 如圖 。 分別給出 MULTD和 DIVD準(zhǔn)備寫結(jié)果之前的記分牌狀態(tài) 。 解： 在分析記分牌狀態(tài)之前，首先需要分析指令之間存在的相關(guān)性，因?yàn)橄嚓P(guān)性會(huì)影響指令進(jìn)入記分牌 DLX流水線的相應(yīng)段。 52／ 81 (1) 第二個(gè) LD指令到 MULD和 SUBD、 MULTD到 DIVD 之間以及 SUBD到 ADDD之間存在著先寫后讀相關(guān)； (2) DIVD和 ADDD之間存在著先讀后寫相關(guān)； (3) ADDD和 SUBD指令關(guān)于浮點(diǎn)加法部件還存在著結(jié) 構(gòu)相關(guān) 。 圖 圖 MULTD指令和 DIVD 指令將要寫結(jié)果時(shí)記分牌的狀態(tài)。 53／ 81 指 令 指令狀態(tài)表 IS RO EX WR LD F6 , 34(R2) √ √ √ √ LD F2 , 45(R3) √ √ √ √ MULTD F0 , F2 , F4 √ √ √ SUBD F8 , F6 , F2 √ √ √ √ DIVD F10 , F0 , F6 √ ADDD F6 , F8 , F2 √ √ √ 圖 程序段執(zhí)行到 MULTD將要寫結(jié)果時(shí)記分牌的狀態(tài) 部件名稱 功能部件狀態(tài)表 Busy Op Fi Fj Fk Qj Qk Rj Rk 整數(shù) no 乘法 1 yes MULTD F0 F2 F4 no no 乘法 2 no 加法 yes ADDD F6 F8 F2 no no 除法 yes DIVD F10 F0 F6 乘法 1 no yes 結(jié)果寄存器狀態(tài)表 F0 F2 F4 F6 F8 F10 … F30 部件名稱 乘法 1 加法 除法 55／ 81 指 令 指令狀態(tài)表 IS RO EX WR LD F6 , 34(R2) √ √ √ √ LD F2 , 45(R3) √ √ √ √ MULTD F0 , F2 , F4 √ √ √ √ SUBD F8 , F6 , F2 √ √ √ √ DIVD F10 , F0 , F6 √ √ √ ADDD F6 , F8 , F2 √ √ √ √ 圖 程 序段執(zhí)行到 DIVD將要寫結(jié)果時(shí)記分牌的狀態(tài) 部件名稱 功能部件狀態(tài)表 Busy Op Fi Fj Fk Qj Qk Rj Rk 整數(shù) no 乘法 1 no 乘法 2 no 加法 no 除法 yes DIVD F10 F0 F6 no no 結(jié)果寄存器狀態(tài)表 F0 F2 F4 F6 F8 F10 … F30 部件名稱 除法 57／ 81 。 操作在記分牌流水線中前進(jìn)時(shí) ， 記分牌必須 記錄與操作有關(guān)的信息 ， 如寄存器號(hào)等 。 約定： Fj（ FU） ?‘ S1’ ： 將寄存器 S1的名字送入 Fj（ FU） FU ： 指令使用的功能部件 D ： 目的寄存器的名字 S1和 S2： 源操作數(shù)寄存器的名字 ， Op： 進(jìn)行的操作 Fj（ FU） ： 功能部件 FU的 Fj域 result（ D）： 結(jié)果寄存器狀態(tài)表中對(duì)應(yīng)于寄存器 D的內(nèi)容，為產(chǎn)生寄存器 D中結(jié)果的功能部件名。 58／ 81 ? 流出（ IS） (1) 進(jìn)入條件 not Busy(FU) and not result(’D’)； //判斷結(jié)構(gòu)阻塞和寫后寫 (2) 計(jì)分牌記錄內(nèi)容 Busy(FU)←yes 。 OP(FU)←Op ； Fi(FU)← ’D’； Fj(FU)← ’S1’； Fk(FU)← ’S2’； 59／ 81 Qj←result( ’S1’)； //處理 ’ S1’的 FU Qk←result( ’S2’)； //處理 ’ S2’的 FU Rj←not Qj； //Rj是否可用 ？ Rk←not Qk； //Rk是否可用 ？ result(’D’)←FU ； //’D’被 FU用作目的寄存器 ? 讀操作數(shù)（ RO） (1)進(jìn)入條件 RjRk。 //解決先寫后讀，兩個(gè)源操作數(shù)須同時(shí)就緒 60／ 81 (2)計(jì)分牌記錄內(nèi)容 Rj←no ； //已經(jīng)讀走了就緒的數(shù)據(jù) Rj Rk←no ； //已經(jīng)讀走了就緒的數(shù)據(jù) Rk Qj← 0； //不再等待其它 FU的計(jì)算結(jié)果 Qk← 0； ? 執(zhí)行 （ EX） (1)結(jié)束條件 功能部件操作結(jié)束 61／ 81 ? 寫結(jié)果 （ WR） (1)進(jìn)入條件 ?f((Fj(f)?Fi(FU) or Rj(f)=no) and (Fk(f)?Fi(FU) or Rk(f)=no))。 //檢查是否存在先讀后寫 (2)計(jì)分牌記錄內(nèi)容 ?f(if Qj(f)=FU then Rj(f)←yes) ； //有等結(jié)果的指令 ， 則數(shù)據(jù)可用 ?f(if Qk(f)=FU then Rk(f)←yes) ； result(Fi(FU))← 0； //沒有 FU使用寄存器 Fi為目的寄存器 busy(FU)=no //釋放 FU 62／ 81 6. 記分牌的性能受限于以下幾個(gè)方面： (1) 程序指令中可開發(fā)的并行性 ， 即是否存在 可以并行執(zhí)行的不相關(guān)的指令 。 (2) 記分牌容量 。 記分牌的容量決定了流水線 能在多大范圍內(nèi)尋找不相關(guān)指令 。 流水線中可以同時(shí)容納的指令數(shù)量又 稱為 指令窗口 。 (3) 功能部件的數(shù)目和種類 。 功能部件的總數(shù) 決定了結(jié)構(gòu)沖突的嚴(yán)重程度 。 (4) 反相關(guān)和輸出相關(guān) 。 引起計(jì)分牌中先讀后 寫和寫后寫阻塞 。 63／ 81 動(dòng)態(tài)調(diào)度算法之二： Tomasulo算法 ? Tomasulo算法將記分牌的關(guān)鍵部分和寄存器換名 技術(shù)結(jié)合在一起 。 ? 基本核心： 通過寄存器換名來消除寫后寫和先讀 后寫相關(guān)而可能引發(fā)的流水線阻塞 。 ? 下面的討論是基于 DLX的浮點(diǎn)流水線功能部件 。 ? Tomasulo算法中 ， 寄存器換名是通過保留站來實(shí) 現(xiàn) ， 它保存等待流出和正在流出指令所需要的操 作數(shù) 。 ? Tomasulo算法的基本思想 64／ 81 ? 只要操作數(shù)有效 ， 就將其取到保留站 ， 避免 指令流出時(shí)才到寄存器中取數(shù)據(jù) 。 ? 指令的執(zhí)行結(jié)果直接送到等待數(shù)據(jù)的其它保 留站中去 。 ? 一條指令流出時(shí) ， 存放操作數(shù)的寄存器名被 換成為對(duì)應(yīng)于該寄存器保留站的名稱 。 ? 除了寄存器換名技術(shù)， Tomasulo算法和記分牌在 結(jié)構(gòu)上還有兩處顯著的不同： 65／ 81 ? 沖突檢測和指令執(zhí)行控制機(jī)制分開 。 ? 計(jì)算的結(jié)果通過相關(guān)專用通路直接從功能部件 進(jìn)入對(duì)應(yīng)的保留站進(jìn)行緩沖，而不一定是寫到 寄存器。 （相關(guān)專用通路通過一條數(shù)據(jù)總線來實(shí)現(xiàn)） 指 令 隊(duì) 列 3 2 1 2 1 浮點(diǎn)寄存器組 1 2 3 4 浮點(diǎn)加法器 浮點(diǎn)乘法器 公共數(shù)據(jù)總線（ CD B ） 存的數(shù)據(jù) 從指令部件來 保留站 存儲(chǔ)器部件 取緩沖 6 5 4 3 2 1 地址部件 地址 取的數(shù)據(jù) 存 取操作 浮點(diǎn)操作 操作數(shù)總線 操作總線 存緩沖 Tomasulo算法的 DLX浮點(diǎn)部件的基本結(jié)構(gòu) 67／ 81 ? 保留站 中保存已流出并等待到本功能部件執(zhí)行的 操作（指令）；還保存指令執(zhí)行所需的控制信息。 ? 如果該操作的源操作數(shù)在寄存器中已經(jīng)就緒 ， 剛將該操作數(shù)取來 ， 保存到保留站中； ? 如果操作數(shù)還沒有計(jì)算出來 ， 則保留站中記 錄這個(gè)操作數(shù)將由誰計(jì)算出來 ， 即指明它由 哪個(gè)功能部件產(chǎn)生 。 ? 取緩沖和存緩沖 保存的是讀 /寫存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)或 地址 。 68／ 81 ? 浮點(diǎn)寄存器通過一對(duì)操作數(shù)總線連到功能部件 ， 通過其中 一條總線連到公共數(shù)據(jù)總線 ， 再送到 存緩沖 。 ? 功能部件的計(jì)算結(jié)果和從存儲(chǔ)器讀取的數(shù)據(jù)都送 到公用數(shù)據(jù)總線上 ， 除了取緩沖的輸入和存緩沖 的輸出以外 ， 所有部分均與公用數(shù)據(jù)總線相連 。 ? 兩個(gè)運(yùn)算功能部件 ? 浮點(diǎn)乘法器完成乘法和除法操作 ? 浮點(diǎn)加法器完成加法和減法操作 69／ 81 使用 Tomasulo算法的流水線需三段： (1) 流出（ Issue）：從浮點(diǎn)操作隊(duì)列中取一條指令。 (2) 執(zhí)行（ Execute） (3) 寫結(jié)果（ Write Result） ，但有以下以下幾點(diǎn) 不同： (1)無需任何操作來檢查數(shù)據(jù) 寫后寫 和 先讀后寫 相關(guān) 的過程，在指令流出過程中操作數(shù)寄存器換名已 將其消除。 70／ 81 (2)通過公共數(shù)據(jù)總線來廣播結(jié)果 ， 將結(jié)果送到 等待此結(jié)果作為操作數(shù)的保留站 ， 目標(biāo)寄存器也 相當(dāng)于一個(gè)需要結(jié)果的保留站 ， 而不是將結(jié)果 寫回到寄存器中 。 (3)存儲(chǔ)器存和取都作為基本的功能部件 。 (4)由于保留站技術(shù)能夠有效地解決先寫后讀 ， 而 無需特殊處理 ， 因此 ， 記分牌流水線中用于完 成判斷先寫后讀的 “ 取操作數(shù) ” 段也被消掉 。 71／ 81 4. 定義有關(guān)的術(shù)語和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) ? 標(biāo)志（ tags） 指緩沖或產(chǎn)生結(jié)果的保留站（功能部件）。 ? 每個(gè)保留站有以下 6個(gè) 域： Op： 對(duì)源操作數(shù) S1和 S2所進(jìn)行的操作。 Qj， Qk： 產(chǎn)生結(jié)果的保留站號(hào)。等于 0表示 操作數(shù)在 Vj和 Vk中或不需要操作