issue阶段的选择电路的实现

  • 1-of-M的仲裁电路
    • 为什么要实现oldest-first 功能的仲裁呢？
      • 这是考虑到越是旧的指令，和它存在相关性的指令也就越多，因此优先执行最旧的指令，则可以唤醒更多的指令，能够有效地提高处理器执行指令的并行度,
      • 而且最旧的指令还占据着处理器中其他的资源,例如重排序缓存(ROB)和Store Buffer等部件,越早地执行这些旧的指令,就可以越早地释放这些硬件资源，供后面的指令使用。
    • 年龄信息的追踪；
      • 年龄信息指的是进入流水线的先后顺序；
        • in-order处理器，先执行的比后执行的要老；
        • ort-of-order处理器，进入issue 队列后，顺序被打乱了，但是还有一个地方记录着，即ROB；可以使用ROB_IDX，作为这条指令的年龄信息；
      • 但是只直接使用rob_idx，无法准确表达年龄信息；
      • 解决方式：增加1bit, 即position bit；
        • 位置值(position bit)相同时，ROB的地址值越小，对应的指令越旧；
        • 位置值(position bit)不同时，ROB的地址值越大，对应的指令越旧。
    •  1-of-M的仲裁电路示意图：
      • 上述的示意图中，需要解决两个问题：
        • 如何屏蔽掉发射队列中那些还没有准备好的指令,使这些指令的年龄信息不会对仲裁电路的结果产生影响；
          • 通过rdy bit来解决；
        • 如何根据仲裁电路挑选出的年龄值,在发射队列中找到对应的指令?
          • 将issue queue idx也随着这个比较电路一直送下去；
  • N-of-M的仲裁电路 
    • 几个 FU共用一个发射队列，这个发射队列需要在一个周期内为每个 FU 都选择出一条指令，这样就要求它有一个 N-of-M 的仲裁电路；
    • 折中方案如上：
      • 图8.30中存在四个FU: ALU0、ALU1、Mul/Div0和Mul/Div1,它们共用一个发射队列
      • 发射队列的容量为M，每个FU都有一个专属的 1-of-M 的仲裁电路。
      • 当指令被写到发射队列中的某个表项时,根据这条指令的类型,将这条指令分配给一个对应的FU
      • 如果存在功能相同的FU,则会按照轮流或者随机的顺序进行分配,这个分配的过程本质上可以通过一个多路分配器(demultiplexer)来实现，它将每个表项的ready信号根据指令的类型分配给不同的仲裁电路；
      • 因为发射队列中的每个表项都有可能存放不同类型的指令，所以每个FU 的仲裁电路都会有M 个输入，执行完整的 1-of-M 的仲裁过程，这样，整个 N-of-M 的仲裁电路的延迟就只有1-of-M的仲裁电路的延迟了；
    • 实际的实现方案：
      • 将各种运算类型进行合并，使得几个运算类型共用一个发射队列；
        • 将加减法、逻辑运算和移位运算合在一个FU中,这就传统意义上的ALU,它们共用一个发射队列;
        • 将整数的乘法和除法操作合并在一起;
        • 将访问存储器和访问协处理器合并在一起;
        • 将所有的浮点运算合并在一起;
      • 这就形成了四个比较大的FU。
      • 当然,这只是最简单的情况,在实际的设计中,需要对不同的指令集,甚至是不同的程序进行分析,才能对FU进行合理的归类,得到相对优化的分配结果。

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