电子科大-系统结构实验-解决数据冒险

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1、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12/13电子科技大学实验报告一、实验项目名称：解决数据冒险二、实验室名称：主楼A2-412实验时间：2017年5月19日三、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。四

2、、实验原理（一）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：addr1，r2，r3I2：subr4，r1，r5I3：andr6，r7，r1I4：orr8，r1，r9I5：addir10，r1，100I1下面有3条指令不能从寄存器r1读出正确的数据。12/13（一）数据冒险的解决方案1、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

3、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）；12/13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

4、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。1、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

5、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_rs1I

6、sReg)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+store12/13ID_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rdDEPEN＝A_DEPEN+B_DEP

7、ENA_DEPEN＝EXE_A_DEPEN+MEM_A_DEPENB_DEPEN＝EXE_B_DEPEN+MEM_B_DEPEN（一）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寄存器R中，后续指令可以通过内部前推电路来直接使用它。但有一种情况是例外：loadr1,200(r2);12/13addr3,r1,r4;load指令在EXE级结束后，还在忙着访问存储器。在MEM级结束后，结果才出现在流水线寄存器D中，见下图。这时，即使使用内部前推技术也无法消除load指令与它的