一、支持浮点操作的流水线设计

1. 设计思路

• 浮点操作（Floating-Point Operations，FP）比整型操作耗费更多时间，难以在一个时钟周期内完成
• 将 EXE 阶段的运算分为多个功能单元（Functional Unit）（整型操作单元、浮点加法单元、乘法单元、除法单元），并使用流水化设计
  • 整型操作单元过于简单，不进行流水化，消耗 1 个时钟周期
  • 整型 / 浮点乘法单元设置为 7 个流水线层级，消耗 7 个时钟周期
  • 浮点加法单元设置为 4 个流水线层级，消耗 4 个时钟周期
  • 整型 / 浮点除法单元过于复杂，不进行流水化，消耗 24 个时钟周期
• 对功能单元进行流水化设计时，需添加对应的层级间寄存器，例如：ID/A1，M6/M7
• 这样的流水化设计允许多达 4 个同时执行的浮点加法、7 个同时执行的整型 / 浮点乘法，但只能同时执行 1 个整型 / 浮点除法

2. 功能单元的延迟与启动间隔

• 延迟（Latency）：使用数据与得出结果之间的时钟周期数；对于流水化的部分，延迟通常为流水线层级数 - 1
• 启动间隔 / 重复间隔（Initiation/Repeat Interval）：向同一功能单元发出两个操作之间必须间隔的周期数

• 流水线的 CPI = 理想 CPI + Structural Stalls + Data Hazard Stalls + Control Stalls

3. 冒险情形与处理

1. Structural Hazard

   • **情形一：**由于除法单元没有实现流水化，因此若存在多条除法指令，它们可能竞争除法单元，从而发生结构冒险

   • **情形二：**由于不同指令的 EXE 阶段用时不同，因此存在多条指令同时进入 MEM 或 WB 阶段的情形，它们竞争数据读写口，从而发生结构冒险

     

   • **处理方法一：**跟踪 ID 阶段对写端口的使用，并在一条指令发射之前使其停顿

     • 具体地，使用一个移位寄存器来跟踪写端口的使用，这个移位寄存器可以指示已发射的指令将在何时使用这个寄存器堆
     • 若 ID 中的指令需要与已发射的指令同时使用寄存器堆，则将 ID 中的指令停顿一个周期
     • 在每个时钟周期，移位寄存器会移 1 位，以进行记录的更新
     • 优势：所有互锁检测（Interlock Detection）都在 ID 层级进行

   • **处理方法二：**当冒险指令尝试进入 MEM 或 WB 级时，使其停顿

     • 已发射和待发射的指令都可以进行停顿
     • 通常为延迟最长的指令赋予优先级，因为延迟最长的指令最可能导致另一指令因 RAW 冒险而停顿
     • 优势：MEM 和 WB 阶段更容易检测冒险
     • 劣势：停顿可能发生在 MEM 和 WB 两个阶段，更难实现
2. Write After Write Hazard（WAW）

   • **情形：**由于不同指令的 EXE 阶段用时不同，因此各指令不再按它们发射时的顺序进入 WB 阶段，如果两条指令写内存的目标相同，且后发射的指令先进入 WB 阶段，可能导致数据的错误覆写

     

   • **处理方法一：**推迟 fld 指令的发射

   • **处理方法二：**要求 fadd.d 指令不写入内容（zero write control）

3. Read After Write Hazard（RAW）

   • **情形：**同普通流水线的数据冒险，但由于引入浮点单元后，延迟变得更长，所以需要插入的停顿数量更多

     

• **处理方法：**对功能单元进行流水化设计时，为前递添加对应的数据通路，包括以下几种前递情形： EX/MEM，A4/MEM，M7/MEM，DIV/MEM，MEM/WB

1. ID 阶段的冒险检测与处理

   假定处理器在 ID 中进行所有冒险检测，则必须在执行以下三种检查后才能发射指令

   • 检查结构冒险
     • 对于除法指令，进行停顿，直到除法单元可用
     • 确保在需要寄存器写端口时该端口可用
   • 检查 RAW 数据冒险
     • 一直等到源寄存器未被列为流水线寄存器中的目的地为止
   • 检查 WAW 数据冒险
     • 检查是否任何在 A1-A4、DIV、M1-M7 中的指令和待发射的指令具有相同的目标寄存器
     • 若有，则为待发射的指令插入停顿

4. MIPS 流水线案例