超标量处理器设计笔记（10） 寄存器重命名过程的恢复、分发

寄存器重命名过程的恢复

当发生异常、分支预测失败时，指令占用 RAT、ROB 和 Issue Queue 等资源恢复

使用 Checkpoint 对 RAT 进行恢复

对一个正在工作的部件来说，两种方式

名字	随机访问的 GC	串行访问 GC
缩写	Random Access GC, RAGC	Sequential Access GC，SAGC
区别	将整个内容放到任意 GC 中	逐步地移位才能放到指定的 GC 中
和主存储器连接方式	连接每个 GC	连接单个 GC
要求	驱动负载较大（接缓冲器）	恢复时，可能需要移位多次
选择	更合适

• MBC（Main Bit Cell）
  • SRAM 最小存储单元
  • 两读一写
• CBC（Checkpoint Bit Cell）
  • 一读一写

RAT 状态保存时（Allocation）：将 MBC 的内容复制到指定的 CBC 中
RAT 状态恢复时（ Restore ）：将 CBC 的内容复制到指定的 MBC 中

使用 WALK 对 RAT 进行恢复

ROB 存储了这条指令前对应的物理寄存器，可以逐步倒退

当发现一条分支指令预测失败时，使用分支指令的编号，将流水线中所有相关指令都给抹除
同时暂停流水线，从 ROB 的底端开始（最新的指令），逐条将每条指令之前对应的映射关系写到 RAT 中。

• 分支预测错误时，首先需要抹除流水线，需要逐个指令地进行恢复，需要消耗很多时间（增大分支预测失败的惩罚）
• 异常时，只需要恢复，不需要抹掉指令（因为异常需要等到该指令变成最旧的指令时才进行）

占用资源少，可用于处理异常发生频率低的处理器

使用 Architecture State 对 RAT 进行恢复

处理器外部访问逻辑寄存器时，RAT 中存储的是未提交状态，所以不一定

例子：
指令 A 提交成功，此时访问 RAT r1 对应的是 P34，但 D 可能出现异常，由此外部不应该读取这个映射关系

因此在提交时，也使用一个 RAT，所有正确的流水线指令都会更新 RAT，称为 aRAT（architecture RAT）

利用 aRAT 也可以完成修复

• 出现分支预测失败时，并不马上进行 RAT 状态修复，而是继续执行，直到运行到该分支指令变成最旧指令时，此时 aRAT 则是正确状态的指令

缺点

• 流水线中存在 D-cache 缺失的 load 指令时，该分支指令需要等待很长时间才能顺利离开

总结

复位方式	Checkpoint	WALK	Architecture State
内容	将 RAT 内容复制出来	根据 ROB 序列完成删掉、恢复指令	等待分支指令成为最老指令 利用 ARAT 复制
占用资源	多	少	直接复制比较简单
处理速度	快	慢	可能由于 D-cache 原因变慢
常用于		异常发生概率低的处理器中	不需要过多处理，降低功耗

分发（Dispatch）

经过重命名后，会进入

• 队列
  • 发队队列 (out of order)
    • 大部分 FU (function Unit)，等待操作数
  • 发射队列 (in order)
    • Store 指令和分支指令
• 重排序缓存 (ROB)
  • 乱序执行的指令拉回到原始顺序，并且记录指令执行的状态（是否发生异常）