计算机系统结构总结_Scoreboard and Tomasulo

Textbook:
《计算机组成与设计——硬件/软件接口》　　HI
《计算机体系结构——量化研究方法》　 QR

超标量

前面讲过超标量的概念。超标量的目的就是实现指令级并行（Instruction Level Parallelism），来解决stall太多的问题。

超标量（Super Scalar) 将一条指令分成若干个周期处理以达到多条指令重叠处理，从而提高cpu部件利用率的技术叫做标量流水技术。 超级标量是指cpu内一般能有多条流水线，借助硬件资源重复（例如有两套译码器和ALU等）来实现空间的并行操作。在单流水线结构中，指令虽然能够重叠执行，但仍然是顺序的，每个周期只能发射(issue)或退休(retire)一条指令。
超级标量结构的cpu支持指令级并行，一个周期可以发射多条指令（2-4条居多，也叫做多发射[multiple issue]）。这样可以使得cpu的IPC（Instruction Per Clock）>1 （也就是CPI<1咯），从而提高cpu处理速度。超级标量机能同时对若干条指令进行译码，将可以并行执行的指令送往不同的执行部件（也就是说执行过程可以是乱序的）。我们熟知的pentium系列（可能是p-II开始），还有SUNSPARC系列的较高级型号，以及MIPS若干型号等都采用了超级标量技术。

实现多发射处理器也有两种方式，其区别是将主要工作分给编译器来做还是硬件来做。由千不同的实现方式将导致某些决策是静态进行的（在编译时）还是动态进行的（在执行时），所以这两种方式有时也被称为静态多发射( s tatic mul ti pl e issue) 和动态多发射(dynamic multiple issue) 。

理想情况下我们希望能有这么一个pipeline：

其中IF ID肯定只能是顺序执行（in order）的。MEM WB这部分也要顺序执行，毕竟指令的完成顺序不能乱嘛。

但是中间功能单元执行的环节其实可以乱序执行（out of order execution）。假设依次有指令A、B、C。A和B存在依赖，而C和前面的都没有依赖。因为A和B的依赖关系会导致流水线停顿，进而导致C也不能执行。如果指令可以乱序执行，就可以先执行C（指令在所需数据可用时立即开始执行），提高效率。

scoreboard system

scoreboard是一种古老的方法了...但其实现在在GPU的thread scheduling中仍然在用

......

Tomasulo Algorithm

这是目前的CPU中在广泛使用的方法。 QR P143

Tomasulo的核心思想是通过寄存器重命名来消除冒险，寄存器重命名功能由保留站（Reservation Station）提供。每个功能单元会有一个保留站。

每个保留站保存一条已经被发射，正在等待功能单元（EX）执行的指令。如果该指令的操作数值已经被算出了，也放到保留站里，否则保留站先记录这些操作数值对应的保留站名称。
保留站在一个操作数可用时马上缓冲一份，这样就可以为等待发射的指令缓冲操作数。
待执行的指令也会指定某个保留站作为自己的输入，并在发射指令是将寄存器更名为对应的保留站的名字，而不再依赖寄存器了。
在对寄存器进行连续写入时，只会用最后一个操作（也就是最终的值）来更新寄存器。
保留站的数量多于寄存器

一个使用了Tomasulo算法的浮点计算单元的结构如下：

保留站相当于“虚拟寄存器”，来make copies of data。用于解决乱序执行时，不同指令公用同一个寄存器带来的冒险。解决Write After Write和Write After Read的依赖。
Common Data Bus能够将数据同时Forward到多个位置，同时需要数据的保留站也能及时从Common Data Bus上得到自己需要的数据。解决Read After Write的依赖。

每个保留站会记录以下字段：

Op：要执行的运算
Qj, Qk：对于还没生成的源操作数，这里记录将生成源操作数的保留站号。
Vj, Vk：对于已经available的源操作数，这里记录源操作数的值。
A：记录load/store指令所需的地址
Busy：表示该保留站在用

另外在每个寄存器中，也要加一个字段来记录哪个保留站中的指令要修改当前寄存器。

之前提到过有三种数据冒险，我们来分别看看它们是如何被消除的：

1. Read after Write PPT P5-7

假设有这样的指令：

: R2:=R0*R4

: R3:=R0+R2

: R0:=R1*R2

...

2. Write after Read（比如 r4=r1+r0 和 r0=r3+4） PPT P7-10

假设有这样的指令：

: R3:=R0*R4

: R4:=R3+R1

: R1:=R0+R2

...

3. Write after Write（2个指令write the same register） PPT P11-15

假设有这样的指令：

: R3:=R0*R4

: R1:=R3+R1

: R3:=R0+R2

: R0:=R3*R2

...

Memory System Dependency

[PPT P15]

Tomasulo解决了寄存器中的依赖问题，但有些奇怪的指令（比如Load/Store）还可能造成内存的依赖，比如对同一个内存地址的RAW / WAR / WAW。这种用Tomasulo就搞不定了。因为有些情况下虽然内存地址不同，但实际上落到了同一个block（前面讲过），还是不能同时access。这种用Tomasulo就搞不定了。我们可以定义两个人工规则：

Load：Proceed only when no prior instruction store to the same address
Store：Proceed only when no prior instruction load/store to the same location

但是在load/store中也会设计地址的计算（也就是前面的ALU指令了）。因此我们把这个规则套用到tomasulo里面：

如图，Addr Unit负责计算地址，送入Store buffer和Load buffer。

以一个RAW的例子为例：

i1: R1 := load (R0)          //write R1

i2: (R1) := store R2         //Read R1 when calculating address 0[R1]

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