介绍load-store指令的Data Hazards问题

算数逻辑指令的Data Hazards

在理想的pipeline中，每个周期都会生成一个结果。然而，现实永远是骨感的。

三种hazards （很多人翻译为冒险）会破坏pipeline的流畅运行：

1、Structural hazards ，当不同的stage竞争共享资源时，这也是我们为什么需要区分I-cache和D-cache的原因。

2、Control hazards ，由于指令的流程控制导致的，这也是指令或者说程序的本质。没有分支跳转，计算机就没有灵魂。

3、Data hazards的本质原因就是同一个时刻stage之间的数据依赖性（ data dependency）。

假设指令j需要的数据依赖于指令i（指令i的目的操作数作为指令j的源操作数），这种依赖关系被称为 read-after-write（RAW）依赖关系 。

下面是一个RAW的示例：

i: R7 ← R12 + R15

其中有3个RAW依赖关系， 和人世间的纷繁情绪一样，纠缠不清 ：

1、指令i+1与指令i有一个RAW依赖关系，因为寄存器R7是指令i+1的输入寄存器，是指令i的输出寄存器。

2、指令i+2与指令i有一个RAW依赖性关系，因为寄存器R7是指令i+2的输入寄存器，是指令i的输出寄存器。

3、指令i+2与指令i+1有一个RAW依赖性关系，因为寄存器R8是指令i+2的输入寄存器，是指令i+1的输出寄存器。

另一种依赖关系，称为 write-after-read（WAR）依赖关系 。寄存器R15是指令i的输入寄存器，是指令i+2的输出寄存器。对于简单的pipeline，这不会有问题。如果我们希望指令i和指令i+2能够乱序执行，那这个问题就必须得到修复，需要用到寄存器重命名的技术了，初衷就是指令i+2先执行时不能影响到指令i,寄存器R15需要保存一个备份。

如果指令i在t时开始，则寄存器R7将在t+4时写入。然而，

对于指令i+1,寄存器R7需要在t+2时从register file读取到ID2EX寄存器;

对于指令i+2,寄存器R7需要在t+3时从register file读取到ID2EX寄存器;

一种可行的解决方案是暂停**（stall ）pipeline** ，直到R7被指令i写入。

还有一种解决方案可以避免这pipeline stall ，因为R7的数据在t+2时刻已经产生了，然后在t + 3时刻存储到EX/Mem寄存器中。只要我们能够提供一条路线，将寄存器R7的值连接给指令i+1即可。

同理，需要将t+3时刻的R7值连接到指令i+3的ALU输入，这就是 forward 技术 。

load-store指令的Data Hazards问题

前文我们介绍了算数逻辑指令的Data Hazards，这篇继续介绍load-store指令的Data Hazards问题。

load–store指令的RAW问题，和算数逻辑指令有些区别。

i: R6 ← Mem[R2]
i + 1: R7 ← R6 + R4

在这两个指令之间存在一个RAW依赖关系，因为寄存器R6是指令i的输出寄存器和对指令i+1的输入寄存器。

在这种情况下，因为寄存器R6的值在Mem stage结束后（t+3）才能使用，不可能及时forward的，指令i+1在t+2时刻就需要寄存器R6的值输入到EX stage。这时，别无选择，pipeline只能暂停一个周期，再使用forward技术，形象点的说法就是产生了一个气泡（bubble ）。

因此，我们需要修改forwarding control unit，以解决load-store指令的数据依赖问题。

类比于AMBA AHB协议中的hready信号，pipeline stall暂停了当前指令，因为我们希望pipeline中IF/ID寄存器的内容保持不变。判断条件就是在指令i+1的ID阶段检测到前面的指令是一个load ，并且load 的输出寄存器作为当前指令的输入寄存器。

在这种情况下，在pipeline 中插入一个nop操作(不读写内存和寄存器，也不会修改PC值）。

关于forward还有些场景需要考虑：

第一、考虑两个连续指令使用相同输出寄存器的场景，并且这个输出寄存器和下一个指令形成RAW dependency

i: R10 ← R4 + R5
i + 1: R10 ← R4 + R10
i + 2: R8 ← R10 + R7

指令i+2与指令i和指令i+1有RAW依赖关系。这个时候需要指令i + 1 R10值forward给指令i+2，而不是指令i。

第二，内存的一部分被复制到另一部分，如

i: R5 ← Mem[R6]
i + 1: Mem[R8] ← R5

forwarding单元必须识别出这种情况，以便将指令i的寄存器Mem/WB内容forward给指令i+1的store输入，而不是之前的R5寄存器值。

原作者：xpuu