处理器中store指令的处理

• 对于向存储器中保存数据的store指令来说,它在顺利离开流水线之前是不允许改变处理器状态的，只有等到它退休(retire)的时候，才允许将它携带的数据写到D-Cache中
• 在此之前，store指令即使计算完毕，也会将结果暂存在一个缓存中，这个缓存就是之前讲过的Store Buffer，直到 store 指令退休的时候，才会将它在 Store Buffer 中对应的内容写到 DCache中。
• 使用Store Buffer这个缓存之后,所有的load指令不仅要访问D-Cache,也需要在这个缓存中进行查找
• 如果在这个缓存中发现有store指令携带的地址和它相等,并且在它之前进入到流水线,则这条store指令携带的数据直接送给load指令使用。
• 一般来说,store 指令在退休的时候,只有将数据真正地写入到D-Cache中,才可以保证后面的load指令可以从D-Cache中得到正确的数据,此时store指令才算是执行完毕了,可以离开ROB,这种方法虽然最安全，但是一旦 store 指令在写 D-Cache的时候发生了缺失，则需要等待很长的时间才能够使它离开ROB,这样就造成了ROB的堵塞,即使store指令后面有很多指令已经执行完毕,处于complete的状态,但是它们由于store指令挡在前面而不能退休,造成了处理器性能的降低。

     

要解决上面的问题，需要在store buffer中，增加一个状态位，标记store指令是否已经具备退休的条件；此时store buffer中的entry就存在3个状态：

• un-complete, 还没有执行完毕；
  • 当一条store指令在流水线的分发(Dispatch)阶段时,会按照程序中指定的顺序占据StoreBuffer的空间,并标记为un-complete的状态;
• complete, 已经执行完毕；
  • 当这条store指令已经得到地址和数据,但是还没有变为流水线中最旧的指令时,就处于complete状态;
• retire, 顺利离开流水线；
  • 当这条store指令成为流水线中最旧的指令并退休的时候，也将这个状态在Store Buffer中进行标记，此时这条store指令就可以离开ROB,这样就不会阻碍后面的指令继续离开流水线,而硬件会自动将StoreBuffer中处于retire状态的store指令写到D-Cache中；
  • 需要注意的是，标记成retired之后，此时retire状态的内容，其实也成为了achitecture state； 
• 只有一条 store 指令真正完成了写 D-Cache 的过程，它才可以离开 Store Buffer，
• 对于大多数处理器来说，store指令都是按照程序中指定的顺序来执行的，当然更需要按照这个顺序对处理器的状态进行更新，所以Store Buffer 是按照 FIFO的方式进行管理的。
• 由于那些已 经退休，但是还没有完成写 D-Cache 操作的 store 指令，仍旧会占据 Store Buffer 的空间，所以这些空间是没有办法被新的 store 指令使用的，一旦 Store Buffer 再也找不到可用的空间进行写入,此时就不能够接收新的store指令,分发(Dispatch)阶段之前的流水线就需要暂停。
• 只有真正完成写 D-Cache 操作的 store 指令才可以离开 Store Buffer，这样造成了它实际可用容量的降低，。这样的缺点限制了处理器性能的提高，但是相比于其他的方法，这种方法实现起来比较简单，因此综合看起来是一种可以接受的折中方法。

          如果不想造成 Store Buffer 实际可用容量的降低，可以将那些已经退休的 store 指令存储在一个不同于Store Buffer的地方,这个地方可以称为Write Back Buffer,硬件会自动将Write Back Buffer 中的 store 指令写到 D-Cache 中，如图 10. 18 所示。

• 每条store指令一旦退休的时候,就将其从Store Buffer写到Write Back Buffer中,也就是说,此时这条store指令可以离开ROB和Store Buffer两个部件,硬件会根据D-Cache的端口使用情况将 Write Back Buffer 中的 store 指令写到其中。
• write back Buffer 已经成为了处理器状态（Architecture state)的一部分，load 指令需要在 Store Buffer和Write Back Buffer这两个缓存中都进行查找,这样增加了设计的复杂度。还需要注意的是,一旦Write Back Buffer没有空间了,那么就不能够再将store指令退休,而是要等到Write Back Buffer出现空闲的空间为止。
• 由于指令需要按照程序中指定的顺序进行退休,所以Store指令也是按照程序中指定的顺序进入Write Back Buffer的，不过，在进入的同时需要在其中查找有没有写到相同地址的store指令，如果存在，那么就需要将其置为无效，这样才能够保证后面的load指令在查找 Write Back Buffer 的时候，使用到最新的数据。