引言

在CPU流水線中會出現(xiàn)一些相關(guān)的情況，導致流水線不能很好地表現(xiàn)出理論性能

流水線相關(guān)分類

結(jié)構(gòu)相關(guān)

指的是在指令執(zhí)行過程中，由于硬件資源滿足不了指令執(zhí)行的要求，發(fā)生硬件資源沖突而產(chǎn)生的相關(guān)

例子：指令和數(shù)據(jù)使用同一個存儲器，如果取指的同時需要對存儲器中的數(shù)據(jù)進行訪問，產(chǎn)生存儲器訪問沖突

控制相關(guān)

指的是流水線中的分支指令或者其他需要改寫PC的指令造成的相關(guān)

數(shù)據(jù)相關(guān)

指的是在流水線中執(zhí)行的幾條指令中，一條指令依賴于前面指令的執(zhí)行結(jié)果

tips:下面的指令j都是在指令i后面執(zhí)行，且二者對同一個寄存器或存儲器單元操作

RAW

即指令j在指令i寫入寄存器之前嘗試讀出該寄存器的內(nèi)容，指令j得不到正確的數(shù)據(jù)

WAR

即指令j在指令i讀取寄存器之前就去更改寄存器的內(nèi)容，指令i得不到正確的數(shù)據(jù)

WAW

即指令j在指令i之前寫寄存器，指令'i'的值會覆蓋指令j的值，寄存器保存的數(shù)據(jù)不是最新的

解決辦法

數(shù)據(jù)相關(guān)

WAW

合理分配寫入的時機，最好確保只有一個階段進行寫入操作 --- 目前我只知道這個辦法

WAR

和WAW類似，控制讀寫的階段，將二者分開，比如：每次都是在譯碼階段讀寄存器，在回寫階段寫寄存器

RAW

1. 插入暫停周期
   當檢測到該數(shù)據(jù)相關(guān)插入nop周期 --- 一定程度上會影響流水線的效率

2. 編譯器調(diào)度
   軟件調(diào)整指令執(zhí)行的順序

3. 數(shù)據(jù)前推
   將計算結(jié)果從其產(chǎn)生處直接送到其他指令需要處或所有需要的功能單元處，避免了流水線的暫停

控制相關(guān)

使用延遲槽技術(shù)，即轉(zhuǎn)移指令后面的一條指令為延遲指令，延遲指令一定會執(zhí)行，但是結(jié)果不一定會被保存

選自雷思磊的《自己動手寫CPU》

同時，將分支跳轉(zhuǎn)提前到譯碼階段，即在譯碼階段就完成對跳轉(zhuǎn)指令的執(zhí)行，因為跳轉(zhuǎn)指令只需要改變PC的值

結(jié)構(gòu)相關(guān)

參考資料

自己動手寫CPU