04处理器体系结构

流水线

目的

重要特性就是增加了系统的吞吐量，不过也会稍微增加延迟

局限

• 不一致的划分

  运行时钟的速率是由最慢阶段的延迟限制的。对硬件设计者来说，将系统计算设计划分成一组具有相同延迟的阶段是一个严峻的挑战

• 流水线过深，收益反而下降

  当流水线深度很深时，通过流水线寄存器的延迟成了流水线吞吐量的一个制约因素

  为了提高时钟频率，现代处理器采用了很深的流水线，处理器架构师将指令的执行划分成很多非常简单的步骤，这样以来每个阶段的延迟都很小

分支预测策略

• 总是选择
• 从不选择
• 反向选择、正向不选择
• 更多复杂的策略

流水线冒险

• 数据冒险

  后面的指令要用到当前指令计算出的结果

  使用暂停（stalling）、转发（forwarding）技术来解决数据冒险

• 控制冒险

  使用暂停（stalling）技术解决控制冒险

异常处理

• 基本原则：由流水线中最深的指令引起的异常优先级最高
• 使用异常处理逻辑来避免出现由于分支预测错误取出的指令造成的异常
• 在流水线寄存器中包括一个状态码Stat来保证不同指令之间异常情况不会相互影响

控制逻辑

• 处理ret：流水线必须暂停直到ret指令到达写回阶段
• 加载/使用冒险：在一条从存储器读出一个值的指令和一条使用该值的指令之间，流水线必须暂停一个周期
• 预测错误的分支：从流水线中去掉预测错误的分支的指令
• 异常：当一条指令导致异常，我们想要禁止后面的指令更新程序员可见的状态，并且在异常指令到达写回阶段时，停止执行