Tomasulo算法解析:动态调度与乱序执行
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"这篇文档主要介绍了Tomasulo算法,这是计算机系统结构中的一种高级指令级并行处理技术,用于提升处理器性能。文档由北京大学计算机科学技术系计算机系统结构教研室的程旭于2004年3月8日讲解,涵盖了软件和硬件的指令级并行、循环级并行、存储器相关性、动态调度、记分板机制以及各种类型的相关和冒险等核心概念。" Tomasulo算法是一种动态调度算法,旨在克服指令流水线中的数据相关性,提高处理器的效率。它允许指令在处理结构冒险(即资源冲突)时暂停,然后在条件允许的情况下提前处理其他指令,从而最大限度地利用处理器资源。这种方法减轻了编译器的负担,因为编译器不必考虑所有可能的指令依赖关系,而且生成的代码可以在具有不同硬件特性的处理器上运行。 文档提到了几种不同类型的指令相关和冒险: 1. 数据相关(Datadependences)包括名称相关、反相关和输出相关: - 反相关(antidependence):一个指令的输出成为另一个指令的输入,但需要在后者的计算之前完成。 - 输出相关(outputdependence):一个指令的输出成为另一个指令的操作数,可能导致WAW冒险。 - RAW冒险(Read-After-Write hazard):一个指令读取前一条指令写入的数据,通常是最常见的情况。 - WAR冒险(Write-After-Read hazard):一个指令写入的数据被其他指令在写之前读取,需要通过反相关来避免。 - WAW冒险(Write-After-Write hazard):两个指令同时写入同一寄存器,需要通过输出相关来处理。 2. 存储器相关和冒险,主要涉及到分支、异常和中断的控制相关,这些都会影响指令的执行顺序和流程。 为了处理这些冒险,记分板(SCOREBOARD)机制被引入。记分板是一个状态跟踪系统,它可以记录每个指令的状态,如发射、读操作数、执行和写回。它分为四个控制级别: - 发射(ID1):指令被解码并检查是否存在结构冒险。如果存在,发射会被暂停。 - 读操作数(ID2):只有在没有数据冒险的情况下,才会读取操作数。 - 执行:在所有必要的数据和资源可用时,指令才能执行。 - 写回:完成的指令结果被写回到寄存器,同时更新记分板状态。 通过这样的机制,Tomasulo算法能够在不影响最终结果的前提下,尽可能地并发执行指令,减少由于相关性引起的停顿,提高处理器的吞吐量。 此外,文档还提及了浮点和整数运算的功能单元(Functional Units)以及内存单元,这些都是处理器内部实现指令级并行的关键组成部分。记分板在这些单元之间协调,确保正确性和并行性,从而优化整个计算机系统的性能。
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