Author: Haco

https://zhuanlan.zhihu.com/p/499978902 1、数据冒险 数据相关有四种，分别是RAR、WAR、WAW、RAW。其中“RAR”不会影响指令的执行，所以提数据相关的时候一般忽略，而WAR、WAW、RAW的重要差别就出在“数据依赖”上。“WAR”和“WAW”这两种数据相关其实没有数据依赖，即发生冒险的指令之间其实没有数据流动，通过寄存器重命名就可以消除冒险。“RAW”冒险则无法解决，因为后序指令读取的数据由前序指令算得，这个过程有明确的数据依赖。 2、Tomasulo算法 Tomasulo是计算机硬件架构的一种指令动态调度算法，其通过寄存器重命名消除了假数据冒险，提高了机器的乱序性能。Tomasulo算法的调度分为三个步骤：发射、执行、写回。 Tomasulo算法的实现结构 发射：Tomasulo算法是顺序发射的，即指令按照程序中的顺序一条接一条被发射到保留站。判断能否发射的唯一标准是指令对应通路的保留站是否有空余位置，只要保留站有空余，就可以把指令发射到保留站中。周期结束时会更新保留站和寄存器结果状态表，如果指令有可以读取的数据，就会立刻拷贝到保留站中；寄存器结果状态表中总是存有最新的值，即如果后序指令的目的寄存器和前序指令的目的寄存器重合，那就只保留后序指令的写信息。 执行：指令通过拷贝数据和监听CDB获得源数据，然后开始执行，执行可能是多周期的，在执行过程中不改变处理器状态。 写回：指令在写回阶段通过CDB总线将数据直通到寄存器堆和各个保留站；周期结束时，根据寄存器结果状态表来更新寄存器堆，并且清除保留站和寄存器结果状态表的信息。 保留站 寄存器结果状态 Tomuasulo调度流程中的要点： 一条指令能否发射，要看对应配置通路的保留站是否有空余，只要有空余，就可以发射到保留站中等待执行；发射的同时会把能读取的数据直接拷贝到保留站，这样做就不用考虑WAR冒险。 指令在发射的时候会更新寄存器状态表，如果后序指令和前序指令的目的寄存器重合了，就用后序指令的写信息标志寄存器，即只会把后序指令的计算结果写进寄存器，这样可以解决WAW冒险。 如果执行单元中有指令正在执行，其他指令就在保留站中等待；如果指令缺少源数据，就留在保留站中，时刻监听CDB总线，如果CDB总线广播了需要的数据，就立马拷贝下来，然后准备执行。 一条指令在源数据全部准备好之后就可以执行，执行可能是多周期的。 一条指令只要完成计算，就可以写回，写回的数据通过CDB总线直通寄存器堆和各个保留站。但是指令的结果未必会写进寄存器堆，因为寄存器结果状态表中总是存有最新的状态，即如果发生WAW冒险，Tomasulo算法会记录下最新的写指令，而抛弃前序的写指令结果，前序写指令的结果不会写回到寄存器堆。 Tomasulo算法不支持精确中断，即在指令和指令之间如果出现了中断/异常，那么处理器要确保中断/异常之前的所有指令都执行完毕，而中断/异常之后的所有指令都没有执行。这使得程序的正确执行无法保证，为分支指令的处理和程序员调试程序带来了巨大的麻烦。要支持精确中断，就要确保指令按序提交，因此，设计人员提出了重排序缓冲的概念，对Tomasulo算法进行改进，从而实现处理器的按序发射-乱序执行-按序提交。