流水線中的相關(guān)培訓(xùn)教程[4]

下面討論如何利用編譯器技術(shù)來(lái)減少這種必須的暫停，然后論述如何在流水線中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)相關(guān)檢測(cè)和定向。

??? 5. 對(duì)數(shù)據(jù)相關(guān)的編譯器調(diào)度方法

??? 流水線常常會(huì)遇到許多種類型的暫停。比如，采用典型的代碼生成方法對(duì)A = B + C這種常用的表達(dá)式進(jìn)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(guò)程中必須插入一個(gè)暫停時(shí)鐘周期，以保證變量C的讀入值有效。既然定向無(wú)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(jìn)行代碼生成時(shí)就消除這些潛在的暫停呢？

實(shí)際上，編譯器的確可以通過(guò)重新組織代碼順序來(lái)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(shù)為流水線調(diào)度（pipeline scheduling）或指令調(diào)度（instruction scheduling）。

??? 例 3.6 請(qǐng)為下列表達(dá)式生成沒(méi)有暫停的DLX代碼序列。假設(shè)載入延遲為1個(gè)時(shí)鐘周期。

??? a = b - c；

??? d = e - f；

??? 解： 調(diào)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(shù)據(jù)相關(guān)。為了保證流水線正確執(zhí)行調(diào)度前的指令序列，必須在指令執(zhí)行過(guò)程中插入兩個(gè)時(shí)鐘周期的暫停。但是考察調(diào)度后的指令序列不難發(fā)現(xiàn)，由于流水線允許定向，就不必在指令執(zhí)行過(guò)程中插入任何暫停周期。

6. 對(duì)DLX流水線控制的實(shí)現(xiàn)

??? 讓一條指令從流水線的指令譯碼段（ID）移動(dòng)到執(zhí)行段（EX）的過(guò)程通常稱為指令發(fā)射，而經(jīng)過(guò)了該過(guò)程的指令為已發(fā)射的指令。

??? 對(duì)于 DLX 標(biāo)量流水線而言，所有的數(shù)據(jù)相關(guān)均可以在流水線的 ID段 檢測(cè)到，如果存在數(shù)據(jù)相關(guān)，指令在其發(fā)射之前就會(huì)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(shè)置相應(yīng)的控制。在流水線中較早地檢測(cè)到相關(guān)，可以降低實(shí)現(xiàn)流水線的硬件復(fù)雜度，因?yàn)檫@樣不必在流水過(guò)程中被迫將一條已經(jīng)改變了機(jī)器狀態(tài)的指令掛起。另外一種方法是在使用一個(gè)操作數(shù)的時(shí)鐘周期開(kāi)始（DLX 流水線的 EX 和 MEM 段的開(kāi)始）檢測(cè)相關(guān)，確定必需的定向。

??? 為了說(shuō)明這兩種方法的不同，我們將以 Load 指令所引起的 RAW 相關(guān)為例，論述如何通過(guò)在 ID段 的檢測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)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(guān)檢測(cè)硬件可以檢測(cè)到的各種相關(guān)情況。

?現(xiàn)在來(lái)看看如何實(shí)現(xiàn)流水線互鎖。如果某條指令和 Load 指令有一個(gè) RAW 相關(guān)時(shí)，該指令處于 ID段，Load 指令處于 EX段。我們可以用表3.4來(lái)描述此時(shí)所有可能的相關(guān)情況。

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