18、浮点运算中的数据冒险与Tomasula算法优化

浮点运算中的数据冒险与Tomasula算法优化

1. 浮点指令中的数据冒险问题

在浮点指令执行过程中，会出现多种数据冒险问题，主要包括写后读（RAW）、读后写（WAR）和写后写（WAW）冒险。

1.1 WAR冒险示例

在一个程序中，ADDF和SUBF指令之间存在WAR冒险。SUBF指令在第5个时钟周期写入F8的内容，而更早的ADDF指令在第12个时钟周期尝试使用该操作数。因此，ADDF指令很可能读取到的是SUBF指令写入F8的内容，而不是更早指令写入的内容。

1.2 WAW冒险示例

ADDF和MULF指令之间存在WAW冒险。MULF指令在第10个时钟周期写入F6的内容，而更早的ADDF指令在第13个时钟周期才写入相同的操作数，从而产生了这种冒险。

2. 乱序执行与寄存器重命名

如果按顺序执行浮点指令，可能需要相当多的时钟周期。通过故意延迟ADDF、SUBF和MULF指令的执行阶段，可以消除潜在的RAW、WAR和WAW冒险，并按顺序执行所有四条浮点指令，但这样会比原程序多增加6个时钟周期。

为了减少完成程序所需的时钟周期数，同时获得无冒险的指令执行流程，可以采用寄存器重命名的方法。在这种方法中，将ADDF和SUBF指令的目标寄存器分别重命名为X和Y，而不是原来的F6和F8。同时，将MULF指令的源寄存器改为Y，以便正确地将数据转发给该指令。这样，新程序只需要13个时钟周期，而不是原来的19个，并且消除了所有浮点冒险。

2.1 寄存器重命名消除冒险的原理

• 消除WAW冒险 ：ADD