第5课

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Dynamic Scheduling¶

Method: out of order execution(乱序执行)
如下是比较早的模型：
- scoreboard用来记录一些指令的状态信息和控制信号，比如功能部件的busy与否、指令所在的状态、寄存器（什么寄存器要被写，什么寄存器要被读入）；
- register寄存器存放变量；
- 右边的是一些部件，两个乘法一个除法一个加法（这些都是浮点数的）和一个整数部件（load和store指令都要通过整数部件）；

把ID段的功能再进行细分，去检查结构冲突和数据冲突；
即把ID段分成两个段：
- IS(Issue)：解码指令，检查是否有结构（运算部件）冲突；(in-order issue)
- RO(Read Operands)：（检查数据冲突）等待直到没有数据冲突，然后读操作数 (out of order execution)，相当于之前的ID；
  - 乱序在RO段就已经发生了，如果后面的指令和前面的指令元操作数没有冲突，而且没有结构冲突，那就直接先执行了；
对于顺序执行来说，WAR和WAW不会有任何问题，但是一旦有乱序，那么结果就会出现问题；

这是一种调度指令的算法；
把一个指令执行过程分成四个阶段：
- IS：检测是否有结构冲突，如果没有，则IS段完成；
- RO：检测操作数（相当于原来流水线的ID），如果乱序从RO开始就是乱的；
加法周期短，所以一个就够了，而乘法比较慢，而且相对除法出现的概率较高；

指令状态表
- 前面两个都可以执行没有问题；
- 第三到第五条因为数据有依赖，所以在RO卡住了；
- 而第六条，因为ADD部件被SUB占了，结构有冲突，所以在IS就卡住了；
寄存器状态表（存放结果寄存器的状态）
功能部件状态表
- 目前有四条指令在执行，所以有四个部件是处于忙碌状态；
- Op记录当前的操作；
- F代表源操作数和目的操作数（Fi是目的操作数，其实就是对应着寄存器状态表）；
- Q表示从哪个功能部件来，比如第二行Mult1，F2就从Integer里来，可以表示等待的关系；
- R表示源操作数在哪，yes表示要等另一个源操作数ready；

对于load和store指令有六个buffer，对于mult指令有两个，对于add指令有三个，运算完后的数据线连到所有部件，给所有需要运用到这个数据的地方分别送过去；

保留栈就是实现乱序的主要结构，什么时候所有源操作数都ready了，先ready先计算，那么就可以从保留栈里面出来进入到运算部件中进行运算；

检测结构冲突就相当于变成了检测保留栈是否有空位，只要进了保留栈，就相当于过了结构冲突的检测，相当于功能部件扩容了，以前只有一条，现在是可以同时拥有保留栈大小的指令（虽然还是只能有一条指令执行）；

重命名也是在保留栈完成的，只要之前没有真实的数据依赖，那么进入了保留栈就相当于重命名。

把一条指令的执行过程分成三步：

Issue（可以重命名寄存器，消除WAR和WAW的影响）
- 从指令队列拿出指令（FIFO）；
- 如果保留栈有空位，那么将指令放进去；
- 如果没空位，则结构冲突，等待知道有空位；
- 如果操作数不在寄存器里，就要追踪那些会产生这些操作数的功能部件；
Execute
- 当所有的操作数都有了，就可以在对应的功能部件进行执行了；
- PS：load和store需要两个步骤
  - 首先判断base register是否就绪，并计算地址；
  - 把计算后的有效地址放到loadstore的buffer里；
Write results
- 当结果计算出来后，就通过CDB总线传输到所有需要这个结果的保留栈（包括store buffer）和寄存器中；
- store指令在store buffer中等待，直到要存储的值和存储地址都可用，然后在内存单元可用时立即写入结果

Tomasula算法优点：
- Dynamic scheduling；
- Register renaming---eliminatining WAW and WAR hazards；
- Load/store disambiguation；
- Better than Scoreboard Algorithm；
缺点：
- 结构比较复杂；
- Its performance is limited by Common Data Bus；
ILP方法的局限性直接导致了多核技术的发展；

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