北航计算机体系结构课程：流水线与超标量处理器

本资源是关于高等计算机体系结构的第七讲内容，由栾钟治教授于2020年4月17日在北京航空航天大学计算机学院中德联合软件研究所进行讲解。主要内容涉及流水线和控制相关的深入探讨，包括流水线设计中的问题、数据相关处理策略、以及硬件与软件在处理流水线中的互锁机制。 课程重点涵盖了以下几个部分： 1. 流水线设计 - 讲授了流水线的结构、段划分以及如何保持流水线的高效运行，强调了流水段平衡的重要性，包括处理流水线中可能遇到的冒险（处理相关性）、数据和控制资源的争用、长周期操作的处理以及异常和中断的处理。 2. 数据相关性处理 - 分析了反相关和输出相关两种易于处理的情况，并介绍了五种基本的处理流相关的方法，如检测、转发数据、软件层面消除相关性和投机执行等。同时提及其他可能采用的解决方案，如细粒度多线程，它减少了对相关性的依赖。 3. 硬件与软件互锁 - 深入讨论了硬件和软件在数据相关处理中的角色分工，区分了基于软件的互锁（如静态调度）和基于硬件的互锁。讨论了如何通过硬件或软件来插入和管理流水线中的暂停（气泡），以及各自方法的优缺点。 4. 阅读材料 - 推荐了Patterson & Hennessy的《计算机组成与设计》和Smith & Sohi的论文，这两本书和论文提供了更高级的流水线技术和超标量处理器的理论基础，包括中断和异常处理、乱序执行的概念以及分支预测技术。 5. 作业与实验 - 提供了作业3和4的设计任务，分别涉及单周期MIPS CPU的流水线设计和更复杂的流水线设计练习。实验1要求学生使用Logisim设计CPU，后续还有实验2-5，但具体细节未给出。 通过这节课，学生们不仅掌握了流水线设计的关键原理，还了解了如何在实践中优化处理各种复杂情况，以及如何在硬件和软件层面实现有效的协同工作。这对于理解和设计现代高性能处理器架构具有重要意义。