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实验报告
课程名称:计算机系统结构实验
学 院:计算机科学与工程学院
专 业:计算机科学与技术
指导教师:好老师
学生姓名:爱学习的小学生 2014666666666
实验成绩:
日 期:2017年5月19日
电子科技大学计算机学院实验中心
电 子 科 技 大 学
实 验 报 告
实验项目名称:解决数据冒险
实验室名称:主楼A2-412 实验时间:2017年5月19日
实验目的
在给出的流水线代码基础上,增加内部前推数据通路、暂停流水线数据通路和关闭写使能信号的数据通路,解决普通的数据冒险和load数据冒险,通过完成本次实验,更好地理解和掌握解决数据冒险的原理,学以致用,增强编写程序的能力。
实验原理
数据冒险的定义
由于流水线上指令重叠执行,改变了原来串行执行的读/写操作数顺序,使得后面依赖前面指令结果的指令得不到准备好的数据,这样的现象叫做数据冒险(数据相关)。
回顾数据冒险的程序例子
I1: add r1,r2,r3
I2: sub r4,r1,r5
I3: and r6,r7,r1
I4: or r8,r1,r9
I5: addi r10,r1,100
I1下面有3条指令不能从寄存器r1读出正确的数据。
数据冒险的解决方案
暂停流水线
如上图所示,暂停流水线到最初的指令执行完毕,可以解决数据冒险,但是会涉及到两个问题,即“如何检测出数据冒险”和“如何暂停流水线”。
如何检测数据冒险?
a.比较器;
I1指令写目的寄存器rd,I2和I3的源操作数是寄存器rs1或rs2中的数据, I2、I3的rs1或rs2与I1的目的寄存器号rd相等时才有可能发生数据冒险。
b.操作码参与检测;
由于指令格式中源寄存器号rs2与立即数部分重叠,而立即数是不会出现冒险的,因此,指令操作码必须要参与检测(区分是寄存器操作数还是立即数)。
c.WREG信号也应参与检测(实际上,WREG也是从操作码中得出的);
如何暂停流水线?
暂停条件判断电路STALL的输入包括OPCODE,ID_rsl,ID_rs2,EXE_rd,EXE_WREG,MEM_rd和MEM_WREG。输出为DEPEN。
封锁本条指令所产生的影响的方法是把DEPEN分别和译码器的输出Decoder_WZ,Decoder_WMEM和Decoder_WREG相与,再送到ID级和EXE级之间的流水线寄存器的输入端。
因为只有这些写信号才改变处理机或存储器的状态,因而我们不必去封锁其它诸如ALUOP或多路器的选择信号。
封锁其后续指令的方法是禁止向IR及PC写入新的数据,即把DEPEN接到IR和PC的写使能端WIR和WPC。当这两个信号为0时,禁止向IR和PC写人数据。
内部前推技术
数据相关本质:一条指令执行时要用到上面指令的计算结果,但这个结果尚未被写入寄存器堆。而实质上,此时结果已经由ALU计算出来了,在流水线寄存器R和C中。
由此,我们可以在ALU的两个数据输入端各加一个多路器,使R和C中的数据能被直接送到ALU的输入端,这就是所谓的内部前推。
以下是检测数据相关的完整信号:
EXE_A_DEPEN=(ID_rs1= =EXE_rd)(EXE_WREG= =1)(ID_rs1IsReg)
EXE_B_DEPEN=(ID_rs2= =EXE_rd)(EXE_WREG= =1)(ID_rs2IsReg)
+(ID_rd= =EXE_rd)(EXE_WREG= =1)(store)
MEM_A_DEPEN=(ID_rs1= =MEM_rd)(MEM_WREG= =1)(ID_rs1IsReg)
MEM_B_DEPEN=(ID_rs2= =MEM_rd)(MEM_WREG= =1)(ID_rs2IsReg)
+(ID_rd= =MEM_rd)(MEM_WREG= =1)(store)
ID_rs1IsReg=and+andi+or+ori+add+addi+sub+subi+load+store
ID_rs2IsReg=and+or+add+sub
(EXE_WREG= =1)表示EXE级的指令确实要更新寄存器,没被取消
(ID_rs1IsReg)条件是为了确认是寄存器,而不是立即数
EXE_rd表示EXE级的流水线目标寄存器rd
DEPEN=A_DEPEN + B_DEPEN
A_DEPEN=EXE_A_DEPEN + MEM_A_DEPEN
B_DEPEN=EXE_B_DEPEN + MEM_B_DEPEN
load指令的处理——暂停与内部前推相结合
ALU指令在EXE级结束后,结果就出现在流水线
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