唤醒阶段的推测唤醒(1)

        前文讲述的唤醒方法都是建立在一个前提下，即指令在 FU 中执行的周期数是可以预知的，这样才可以为这条指令分配一个确定的DELAY值，但是在实际的处理器中，很多指令需要的执行周期数是没有办法提前知道的。

• load指令。
  • FU中执行的周期数，取决于D-cache是否命中，而且DRAM有可能读取数据不是一个固定的值；                           
• 在某些处理器中，定义了一些特殊的情况；
  • 乘法的位数比较小时，乘法的结果可以提前得到，early out;

解决方式：当该指令执行完成时，再进行唤醒；

• 小的改进：在设计Dcache时，是否命中可以提前于数据得到；
  • 
  • 通过这种改进措施,当L1 Cache命中时,指令A和指令B之间的执行相差了3个周期，相比于前一种设计已经有了改进，但是仍旧不完美。
  • 其实对于load指令，还需要考虑更多的事情：
    • A发生了miss, 此时B指令也不能stall而等待操作数， 这回导致FU无法接受新的指令；
    • 需要将inst B重新放回issue queue, inst A会重新对issue queue中的指令进行唤醒；
• 预测唤醒（speculative wake-up）
  • 对于执行周期数是一个确定值的指令,可以使用延迟唤醒的方法,而对于本节介绍的load类型的指令,它的执行周期是不确定的,而load指令多处于相关性的顶端,如果等到它的结果被计算出来的时候才进行唤醒操作,会损失一些潜在的并行执行的机会,从而降低处理器的性能;
  • 因此需要使用预测的方法预测指令执行的周期数,在指令得到结果之前,就对相关的指令进行唤醒操作,这种方法就称为推测唤醒(speculative wake-up),或称为预测唤醒。
  • 对于load来讲：
    • 在流水线的发射阶段假设所有load指令的D-Cache都是命中的,这样当load指令被仲裁电路选中时，就可以按照最短的执行周期数，对相关的指令进行唤醒操作
    • 当load指令真正访问D-Cache时，如果此时发现了缺失,那么就说明之前的预测是错误的,需要进行状态恢复
      • 那些被load指令唤醒的所有寄存器都应该重新被置为非准备好(not ready)的状态，
      • 如果一些指令已经离开了发射队列，那么还需要将其从流水线中抹掉，重新放回到发射队列中，这就完成了状态恢复的过程
      • 这些指令会等待load指令重新将它们唤醒。此时load指令可以继续预测L2 Cache是命中的,并按照这个周期数对相关指令进行唤醒,当然,如果发现这个预测也是不正确的,那么就继续按照这种方法进行状态恢复。
    • 采用VIPT/PIPT的D-CACHE，在推测唤醒的过程上是不同的；
      • 主要是判断hit/miss的时间点不一样；差别在于需要进行VA/PA转换；
    • independent window 与 speculative window;
      • load 指令被仲裁电路选中之后，需要等待两个周期才可以将相关的指令进行唤醒，在这两个周期内,仲裁电路可以选择那些和load指令不存在相关性的指令，称这两个周期为Independent Window(简称IW)。
      • 而从load指令开始将相关的指令进行唤醒,直到它发现自身是否会D-Cache命中/缺失，中间也间隔了两个周期，称这两个周期为Speculative Window(简称SW)，示意图如图 8.47 所示。
    • IW/SW可能是互相重合的；
      • SW 窗口中的指令不一定就和 load 指令存在相关性，例如那些被 load指令唤醒的指令并没有马上被仲裁电路选中,就会使SW窗口中的指令其实并没有使用load 指令的结果
      • IW 窗口中的指令也并不一定就和 load指令无关，因为它可能和其他load 指令的 SW窗口是重合的；
      • 由于发现 D-Cache缺失时，那些和 load 指令存在相关性的指令都需要重新被放回发射队列中并等待被唤醒,这就需要这些指令重新在发射队列中变为not ready的状态,并重新向仲裁电路发出申请,这个过程称为replay。
      • replay有两种方式：issue queue based replay, replay queue based replay;

•  issue queue based replay
  • 指令被仲裁电路选中之后，不会马上离开发射队列(Issue Queue)，只有当这条指令被确认已经正确执行之后,才会允许这条指令离开发射队列。
  • 此种方式需要增加一个bit, issued, 指示已经被选中，但是还没有离开issue queue;
    • 当这个标志位为1时,这条指令就不会再向仲裁电路发出请求信号了；
    • 当这条指令需要replay时，会将issued标志位清零，这样它就可以继续向仲裁电路发出请求信号;
  • 可能会发生replay的场景可能有：
    • 采用交叠(interleaving)结构的D-Cache中的bank冲突
    • store/load指令的违例(即按照程序中规定的顺序,load指令比拥有相同地址的 store 指令先执行了)，
    • 甚至是 load/load 指令的违例(即按照程序中规定的顺序,load指令比拥有相同地址的load指令先执行了,在某些多核应用环境中要求保持这种顺序）
    • 等等，都需要进行replay;
  • 解决方式：
    • 让所有的指令在被仲裁电路选中的时候,都不要马上离开发射队列,只有当这条指令确认自己可以正确执行的时候，才会离开发射队列；
  • 怎么知道一条指令的执行是正确的？
    • out-of-order处理器中，load/store乱序，即使load已经命中，或者执行完了，但是只要store/load的顺序不对而导致load指令的结果是错误的，此时需要将load及其相关的指令，都进行replay;
    • 这种处理器中，只有该指令retire的时候，才能保证是正确执行的，此时才能离开发射队列；
  • 这种基于issue queue replay的方式，有部分指令因为d-cache hit的概率很高，发生store/load的概率也不高，所以其实大部分指令，在被仲裁电路选中之后，已经不会replay了，但是这部分指令，仍然占据着发射队列的空间；
  • --> 降低了实际可以使用的容量；
  • 采用折中的方式：
    • 只对load指令采取issue queue based replay的方式， 一旦load指令在其执行阶段得到了D-cache hit的结果，则将发射队列中的相关指令进行释放；
    • 这种方式，如果发生了store/load违例，或者load/load违例，此时可能该load指令已经离开IQ, 此时已经没有办法，因为IQ已经满了的原因，该指令无法重新放回IQ，可能会产生死锁：
      • 在发射队列中的指令等待被它前面的指令唤醒,而前面的指令由于发射队列中没有空间而无法进行replay,也就无法将其他指令进行唤醒,这就产生了死锁。
      • 因此,对于store/load指令违例,或者load/load指令违例的这些情况,是没有办法依靠发射队列进行replay的,这时候需要将那些需要replay的指令从流水线中抹掉,从1Cache中重新将这些指令取出来放到流水线中，当然这样会损失一些性能，这就是一种折中了；
    • 对于load指令，仍然使用issue queue进行replay;
      • 一种简单的方式：将所有在load指令之后，被selcet的指令，都放回发射队列；(注意,并不是真的将指令放回到发射队列中，因为这些指令还都没有离开发射队列，只需要更改对应的状态位就可以了)
      • 这种方法当然不会产生错误,但是,考虑到IW窗口的存在,甚至是在一条load指令的SW窗口中,未必所有的指令都是和load指令相关的,所以这种方法将很多本来可以不需要replay的指令也进行了replay,在一定程度上损失了一些性能，但是实现起来相对是比较简单的，这种方法被称为Non-SelectiveReplay；
      • 进一步改进：
        • 处于IW窗口中的指令，是肯定和对应的load指令不存在相关性的。
        • 在图 8.50 中,当load指令在流水线的Data阶段发现 D-Cache miss时，处于 Cal Addr 和 TLB/Tag 这两个流水段的指令，是不需要进行 replay 的，
        • 因此只需要将RF和Select这两个流水段的指令从流水线中抹掉,重新在发射队列中等待被唤醒就可以了，这样可以在一定程度上减少性能的损失，可以称为是改良版的NonSelective Replay 的方法。