学习笔记——体系结构_乱序执行之Tomasulo算法与记分牌算法

在网上找tomasulo算法和记分牌算法，发现基本只有一个哥们的文档，在所有的网页间转载粘贴。不过我发现现在书上已经没有多少介绍记分牌算法了。所以就详细研究下这两个算法。

参考了网页资料：

http://wenku.baidu.com/view/65206e8fbceb19e8b9f6ba05.html

1、指令级并行的相关性

1.1、对于指令的相关性：

• 结构相关是无法实际解决的，因为处理器已经造好了；
• 控制相关是通过分支预测解决的，控制相关包括：分支指令、函数调用；
• 数据相关其实本质是对寄存器的读写操作先后顺序造成的相关。对于此类相关，就有记分牌算法和tomasulo算法来解决。

进一步分析，数据相关分为：RAW、RAR、WAR、WAW这四类，其中的RAR不是真正的数据相关，因此寄存器不会因为读而改变。真正需要处理的是RAW以及WAW和WAR这三种。在顺序执行的指令流水线中，WAR和WAW是不会出现问题的，因为指令顺序指令，后面的W不会覆盖前面的R或者W；但是对于乱序执行就不一样了，需要有算法解决；而对于RAW，道理也一样。

2、记分牌算法

2.1、记分牌算法核心思想

记分牌算法的实现核心是系统中存在有一个“记分牌”，这个记分牌记录了运算部件和寄存器的数据相关性，即如果运算部件需要的寄存器数据准备好，就可以执行，执行完之后，释放寄存器。在这种情况下，就可以实现指令的乱序执行。

2.2、记分牌算法执行四个过程：

1. 过程1：指令流出阶段，检测结构相关——如果当前功能部件空闲、并且没有其他指令使用相同的目的寄存器，则记分牌把指令发射到该功能部件，如果存在结构相关或WAW相关，则停止发射，等待；（这个阶段仅观察目的寄存器，不管源寄存器）
2. 过程2：读操作数阶段——如果之前的指令已经完成对源操作数寄存器的写，则记分牌允许指令读取源操作数，可以执行；（这个阶段处理源寄存器，解决RAW相关，这样指令就可以乱序执行了）；
3. 过程3：执行——部件执行指令，并在执行完毕后通知记分牌；
4. 过程4：写回——这个时候检测是否出现WAR相关，即是否有前面的指令要读目的寄存器，如果没有WAR相关，则写回；如果有，则暂停该指令写回过程。

2.3、记分牌算法总结