Tomasulo算法详解：计算机系统结构中的指令流程与冒险处理

本篇课件是关于北京大学计算机系统结构研究所高级计算机系统结构课程的一部分，主要讲解了Tomasulo算法及其在计算机系统中的应用，特别是在处理指令流水线（Pipeline）中的相关性和冒险问题。Tomasulo算法是一种优化的指令执行策略，用于提高处理器的并行度和吞吐量。 首先，课件关注了指令的状态，包括它在执行过程中的四个步骤：第一步是指令状态（Instruction Status），表示当前指令所处的流水线阶段。这种划分有助于管理并发执行，确保指令按照正确的顺序执行，避免结构冒险（Structural hazards）。 其次，课程介绍了功能单元（Functional Units），这些是处理器中的核心部件，负责执行特定类型的算术和逻辑操作，如整数运算、浮点运算、乘法、除法等。通过多路功能单元的设计，可以并行执行多个操作，进一步提升性能。 课件中提到了几种不同类型的数据相关性，如数据依赖（Data dependencies）、命名依赖（Namedependences）、反相关（Antidependence）、输出依赖（Output dependence）等。数据相关性是影响指令执行顺序的关键因素，包括RAW冒险（由数据相关引起）、WAR冒险（由反相关引起）和WAW冒险（由输出相关引起）。这些概念对于理解并行执行的限制和优化至关重要。 存储器相关和控制相关也是讨论的重点，包括分支预测、异常处理和中断，这些都是控制流水线执行流程的重要元素。通过高效的分支预测，可以减少控制相关带来的暂停，而异常和中断处理则需要额外的机制来保持系统的稳定性。 记分板（Scoreboard）体系结构在此处扮演着关键角色，它是一种调度和冲突管理机制。记分板在发射阶段（ID1）检测结构冒险，并按程序顺序控制指令的发射。同时，它在读操作数阶段（ID2）确保没有数据冒险后再进行操作数的读取，从而避免了RAW冒险。记分板的四级控制结构体现了对指令执行精细管理的必要性。 本课件深入剖析了高级计算机系统结构中的关键概念，包括指令流水线、相关性和冒险的识别与管理，以及功能单元和记分板在优化性能中的作用。这对于理解和设计高性能处理器系统具有重要意义。