一、最原始的指令處理理解

31~26 25~21 20~16 15~11 ---?

?二、流水線

?

三、冒險(xiǎn)問(wèn)題

1.解決數(shù)據(jù)冒險(xiǎn)

（從流水線寄存器通過(guò)旁路傳回?cái)?shù)據(jù)?也叫作?轉(zhuǎn)發(fā)）

若產(chǎn)生冒險(xiǎn)，則更前面的指令中?需要寫入的目的寄存器剛好是?當(dāng)前指令需要讀取的源寄存器，此時(shí)對(duì)于當(dāng)前源寄存器而言，這個(gè)寄存器內(nèi)部的數(shù)據(jù)并不是準(zhǔn)確的，因?yàn)樗枰玫角耙粋€(gè)指令產(chǎn)生的結(jié)果。此時(shí)可以用到旁路，解決這個(gè)問(wèn)題。

觀察指令可知：

????????R型指令，需要用到rs,rt源寄存器，寫入rd目的寄存器

????????beq指令，需要用到rs,rt源寄存器，不需要寫入

????????sw指令，需要用到rs,rt源寄存器，不需要寫入

????????lw指令，需要用到rs源寄存器，寫入rt目的寄存器

可知，beq和sw指令?不會(huì)對(duì)后面指令產(chǎn)生影響，因?yàn)樗鼈儍H僅使用該寄存器值,并不修改該寄存器值，后面指令訪問(wèn)該源寄存器的值依然是準(zhǔn)確的。

會(huì)產(chǎn)生冒險(xiǎn)的只有R型-X?或 lw-X。

旁路能解決的是 R型-X? 或者 Lw-X(X不用到lw的目的寄存器)-R型?

不能直接通過(guò)旁路而需要流水線阻塞的是?取數(shù)-使用型數(shù)據(jù)冒險(xiǎn)

兩種旁路，第一種答案可從EX/MEM中取得，第二種答案可從MEM/WB中取得。

情況：

一個(gè)指令的兩個(gè)源寄存器分別是上兩個(gè)指令的目的寄存器。如：

add $s0,$t0,$t1

add $t1,$t2,$t0

add $s1,$s0,$t1

這時(shí)，當(dāng)?shù)谌龡ladd到ALU輸入時(shí)，第二條已經(jīng)ALU運(yùn)算完了，結(jié)果在EX/MEM里可以取出，第一條已經(jīng)到MEM/WB里，可以取出

一個(gè)指令的一個(gè)源寄存器是上兩個(gè)指令的目的寄存器。如：

add $t1,$t0,$t1

add $t1,$t2,$t0

add $s1,$s0,$t1

這時(shí)第二條已經(jīng)ALU運(yùn)算完了，結(jié)果在EX/MEM里可以取出，第一條已經(jīng)到MEM/WB里，可以取出，但是第三條需要的t1是最新的t1也就是第二條指令里面的t1，所以它需要從最新的EX/MEM中取出。阻斷MEM/WB的。

一個(gè)指令的一個(gè)源寄存器是上一個(gè)指令的目的寄存器或者是上上一個(gè)指令的目的寄存器。

旁路解決：在ALU輸入處加選擇門的選擇端（多選器）

必須為寫入指令才會(huì)影響下面的指令才需要旁路，所以RegWrite=1

①EX/MEM轉(zhuǎn)發(fā)條件：（即應(yīng)當(dāng)從EX/MEM流水線寄存器通過(guò)旁路得到結(jié)果）

（1）當(dāng)上一條指令為寫入時(shí)，寫指令應(yīng)當(dāng)為1

EX/MEM.RegWrite=?1

（2）當(dāng)上一條指令的目的寄存器與當(dāng)前源寄存器相同時(shí)

ID/EX.RS(RT)=EX/MEM.Rd （這里的Rd一定為15~11的目的寄存器，因?yàn)閷?duì)于lw指令的rt目的寄存器是沒(méi)辦法在這里進(jìn)行旁路的，在這里進(jìn)行旁路是無(wú)效的，如果這里的下一條指令的RS為lw的Rt時(shí)，實(shí)際上已經(jīng)產(chǎn)生了阻塞（這在后面我們會(huì)知道），加入了空指令，也就是說(shuō)這時(shí)的EX/MEM.Rd為空，也就是在EX/MEM階段不可能要取的是lw的rt，如果要取那么產(chǎn)生阻塞，也是在MEM/WB中取，當(dāng)且僅當(dāng)這個(gè)EX/MEM.Rd是15~11的R型目的寄存器才有效，所以無(wú)論如何不會(huì)出現(xiàn)ID/EX.RS=lw.Rt?然后取出ALU運(yùn)算后的的地址的問(wèn)題。）

（3）當(dāng)上一條指令的目的寄存器不是zero寄存器時(shí)

EX/MEM.Rd≠$zero(為什么上一條指令的目的寄存器不能為$zero?其實(shí)并不是$zero的值被修改了，實(shí)際上沒(méi)被修改。上一條指令的ALU的計(jì)算結(jié)果放在了EX/MEM流水線寄存器組里面，這個(gè)時(shí)候的結(jié)果并沒(méi)有傳給$zero，而此時(shí)目的寄存器實(shí)實(shí)在在確實(shí)是$zero，也就是說(shuō)，它會(huì)誤認(rèn)為現(xiàn)在EX/MEM流水線寄存器組里面的值?就是需要的結(jié)果值，也就是ID/EX.RS=EX/MEM.Rd成立，所以會(huì)把結(jié)果值拿出來(lái)，但實(shí)際上$zero還是那個(gè)zero。它只判斷?目的寄存器是否為源寄存器，然后把流水線的值轉(zhuǎn)發(fā)給ALU，這個(gè)流水線的值?實(shí)際上并不是目的寄存器的現(xiàn)有值。)

②MEM/WB轉(zhuǎn)發(fā)條件：

（1）MEM/WB.RegWrite=1

（2）ID/EX.RS(RT)=MEM/WB.Rd(Rt)

（3）MEM/WB.Rd≠$zero

?

?

2.取數(shù)-使用型數(shù)據(jù)冒險(xiǎn)

?

流水線阻塞：lw指令的目的寄存器rt，只有當(dāng)它經(jīng)過(guò)?數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器取出數(shù)據(jù)之后，才是正確的，也就是說(shuō)，對(duì)于lw型指令，它如果能用到旁路，正確的數(shù)據(jù)也僅僅會(huì)在MEM/WB流水線寄存器組里面。如果有一條指令如下:

lw $t0,200($s0)

add $t1,$t0,$s1

lw指令的目的寄存器，剛好就是下一條指令的源寄存器，根據(jù)流水線的實(shí)現(xiàn)原理可知，當(dāng)lw執(zhí)行到取出數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的值?放入MEX/WB流水線寄存器組中時(shí)，add指令不得不執(zhí)行到EX/MEM了，也就是它已經(jīng)算完了，這顯然不正確。換個(gè)思路，當(dāng)add指令到需要輸入ALU計(jì)算時(shí)，lw才執(zhí)行到MEM階段，還未取出值，這顯然是不行的。

所以此時(shí)不得不產(chǎn)生流水線阻塞。

產(chǎn)生氣泡：由于指令在ID階段譯碼成功，則在ID/EX流水線寄存器里就已經(jīng)知道了，該條指令是什么指令，如果此時(shí)是一條lw指令，并且前一條在IF/ID指令的源寄存器用到了lw指令中的rt那么必然會(huì)阻塞，所以可以在這里判斷。

判斷什么？

IF(ID/EX.MemRead=1 and? ? ?//唯一的寄存器寫入操作?lw

(ID/EX.Rt=IF/ID.Rs or ID/EX.Rt=IF/ID.Rt)? ?//rt?與?后一條的源寄存器重合

PS:這里仍然會(huì)有一點(diǎn)不必要的氣泡，但是不必要的氣泡一定是沒(méi)錯(cuò)的，只是并不必要而已，比如?若連續(xù)出現(xiàn)了lw指令，且后一個(gè)lw不用到前一個(gè)lw寫入的目的寄存器，且同時(shí)寫入同一個(gè)寄存器，這樣也會(huì)插入一個(gè)氣泡，因?yàn)榍昂髍t相同，但顯然并不需要?dú)馀荨＿€有一個(gè)就是jump指令，jump指令的rs和rt無(wú)效，所以并不需要?dú)馀?。（不考慮）文章來(lái)源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-469926.html

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