超标量处理器设计笔记（9） 重命名映射表、超标量处理器重命名中相关性问题

重命名映射表

重命名时

• 源寄存器查找 RAT 获得对应物理寄存器标号
• 指令的目的寄存器会新增对应新的物理寄存器

两种方式

• SRAM 方式
  • SRAM 是每个逻辑寄存器分配一个物理寄存器
  • Entry 项为 32 个，一共有 32 个逻辑寄存器
  • SRAT 占据空间是 32 X 6 bits = 192 bits
• CAM 方式（Content Addressable Memory）
  • CAM 是每个物理寄存器分配一个逻辑寄存器，所以需要 valid 位来表示
  • Entry 项为 64 个，一共有 64 个物理寄存器
  • CRAT 占用空间是 64 X 5 bits = 320 bits
  • 需要 valid 位来表示
• 对比
  • 都是使用逻辑寄存器来寻址
  • SRAM 快，并且节省资源
  • 对 cRAT 进行 Checkpoint 只需要保存状态位

32 个逻辑寄存器 5 位来表示
64 个物理寄存器 6 位来表示

#问题 CAM 的 check points 只需要一位？
在完成 RAT 写入时
对于一个特点的通用寄存器来说

• SRAM 中
  • 需要保存当前值，当前值又因为 ARF 可能会不断映射新的值而被覆盖，所以需要保存所有
• CAM 中
  • ARF 的内容不断写入，PRF 不断新增覆盖旧项，所以只需要指示 valid 即可

基于 SRAM 的重命名映射表

超标量处理器的寄存器重命名

Dest = Src1 op Src2
过程

• 从 RAT 里找到 Src1 和 Src2 的物理寄存器 Psrc1 和 Psrc2
• 从 free list 中找到一个空闲的物理寄存器 Pdest
• 将 Dest 和 Pdest 的映射关系写到 RAT 中，之后可以用 Dest 去索引映射关系

一条指令重命名，RAT 一共需要 3 读 1 写端口

• 3 读
  • 2 个 Src1 和 Src2
  • 1 个 Dest 读取之前的映射
• 1 写
  • 给 Dest 写入新的映射

4-way 指令则是 12 读，4 写

重命名可以解决 WAR 和 WAW 问题
为什么重命名还需要 RAW 和 WAW 相关检查

• 指令 A 和 B 之间 RAW 相关
  • R0 需要查询指令 A 的结果，而不是 RAT 的结果
• 指令 A、B、D 之间 WAW 相关
  • 写入 RAT 时，一个周期多条指令有相同目的寄存器，则将最新的映射写到 RAT 中即可
  • 而检查旧映射时，也应该使用有 WAW 相关性的指令，而不是 RAT 读取的值
• 指令 B 和 D 之间的 WAR 相关
  • 对重命名没有影响

主要延迟的来源：

• 多端口 SRAM 本身延迟
• RAW 和 WAW 相关性检查的延迟

在不出现 RAW 和 WAW 相关下的映射

解决 RAW 相关性

#问题 R1 映射出来结果应该一致，为什么会不一致？

检查方式：

• 每条指令的 Src 和之前的 Dst 编号进行比较，如过相等，则用 free list 取出来的值，如果有多个相等，则取出最新的指令对应的物理寄存器

解决 WAW 相关性

对写 RAT 进行检查（判断哪个 ARF 写入到 RAT）

只有最新的指令 D 才能写到 RAT，对周期内进行寄存器重命名的所有 WAW

写之前完成检查

对写 ROB 进行检查（判断）

为了释放不再使用的物理寄存器，需要从 RAT 读出以前对应的物理寄存器，并且写到 ROB 当中，告诉 ROB 我的值是在哪里，而不是让 ROB 去检查 ART 查到错误的值

如果寄存器地址，同时读写操作，先读后写

• 读优先则能满足需求

FPGA 的两种特性

写优先

• 写入的内容可以马上读取到

读优先

• 写入的内容需要在下个周期读取

特殊指令处理方式

• 根据当前目的寄存器的个数，决定当前周期从 free list 中读取的数值的个数
• 使用目的寄存器读取 RAT 时，根据标记，明确哪些会读哪些不会读
• 使用源寄存器读取 RAT 时，通用
• RAW 和 WAW 检查时自动忽略比较的结果