计算机体系结构----寄存器重命名/Tomasulo算法

前情提要

计分板算法可看我写的博文计算机体系结构----计分板（scoreboard）算法

Tomasulo算法的核心是寄存器重命名（register renaming）；通过寄存器重命名，可彻底消除WAR/WAW冲突，计分板算法中，WAR/WAW都是通过停顿解决的，当然计分板算法虽然没那么厉害但还是通过动态调度消除了RAW冲突的。

Tomasulo算法如何实现乱序执行

1. 需要在值的生产者和消费者之间建立通信，这里消费者指的是当前这条指令，生产者指的是在与这条指令相关的指令。

• 寄存器重命名：给每个值一个tag

2. 需要给指令提供缓冲区，这个缓冲区称为保留站
3. 指令需要持续监测值是否可用，当这个值准备好了，就广播自己的tag，消费者匹配tag，如
   果是自己用的，就知道这个值已经准备好了
4. 当全部的值都准备好，需要分发指令到对应的功能单元上去，即当需要的全部值都准备好，分发指令，出保留站

Tomasulo算法的核心要素

1. 保留站 Reservation stations (scheduling window)，缓存指令以及指令的操作数
2. 公共数据总线 Common data bus (CDB)，广播结果给保留站（RS）
3. 寄存器重命名：消除WAR/WAW相关
4. 转发/前递：Forwarding，消除RAW相关（注：我们看下面的例子会发现在RAW相关的前一条指令处于write result阶段时，后一条指令就可以进入EXE阶段了）

典型的Tomasulo系统：IBM 360/91

Tomasulo算法的各个功能区

保留站（发射队列）

1. 指令顺序发射到保留站

• 缓存指令及操作数
• 如果操作数未就绪，保留站监听数据总线
• 如果操作数已就绪，缓存到保留站

2. 每个功能部件有独立的保留站（计分板算法里面所有的功能部件共用一个计分板），如果保留站已全部占用，无法发射指令，只能等。

保留站示意图如下。

保留站结构

1. Busy字段：表明对应功能部件的保留站已被占用
2. Op字段：表明具体的操作，如ADD
3. Vj、Vk字段：保留源操作数的值
4. Qj、Qk字段

• Qj：产生源操作数Vj的保留站编号，或者0
• Qk：产生源操作数Vk的保留站编号，或者0
• 0表示源操作数已在Vj或Vk

5. A字段：为load与store指令存放存储器地址计算信息

上述字段的含义和计分板很相似。

重命名映射表Register Alias Table (RAT)

如果设置了“有效位”，则表中的“值”正确。 否则，Tag 指定在何处查找正确的值。 Tag 是要生成的 Value 的唯一名称、

公共数据总线

Common Data Bus (CDB)：广播已完成 insns 的 。

Tomasulo算法 – 处理WAR

Tomasulo算法 – 处理WAW

Tomasulo算法 – 基本结构

1. 每个功能部件有自己的保留站,Load/store buffers和保留站结构基本相同
2. 保留站中的每一行保存着一条发射到相应功能部件的指令，并缓存了已就绪的操作数，和未就绪操作数的标签（即生 产指令所在的保留站行号）
3. CDB不仅把结果送到寄存器中，也送到所有正在等待该结果的保留站中

• 每个结果会附带一个标签（即生产指令所在的保留站行号），用来和保留站中的标签相匹配
• CDB相当于实现了前送功能

Tomasulo算法 – 三个阶段

每条指令的执行经历三个阶段

Tomasulo算法 – 算法流程

1. 如果在重命名之前保留站可用

• 指令 + 重命名的操作数（源值/标签）插入到保留站中
• 仅当保留站可用时重命名

2. 否则停顿
3. 在保留站时，每条指令：

• 监视公共数据总线 （CDB） 的源标签
• 当看到标签时，获取源的值并将其保存在保留站中
• 当两个操作数都可用时， 指令准备分派

4. 指令准备就绪时向功能单元发送指令
5. 指令在功能单元中完成后

• CDB 仲裁
• 将标记值放入 CDB 上（标记广播）
• 寄存器文件已连接到 CDB
  – 寄存器包含一个标签，指示寄存器的最新写入者
  – 如果寄存器文件中的标签与广播标签匹配， 将广播值写入寄存器（并设置有效位）
• 回收重命名标签
  – 系统中没有标签的有效副本

Tomasulo算法示例

初始化

注意下面的示例中，W和E阶段是同时发生的，因为Tomasulo算法采用了forwarding技术，其他细节不用过多说明，图中均 详细介绍了，自己推导一边这个过程即可熟练掌握。。

Cycle1

Cycle2

Cycle3

Cycle4

Cycle5

Cycle6

Cycle7

虽然cycle7中R5被二次标记，但是R5第一次重命名的值仍存在保留站项a中，是要比保留站项d先计算出来并广播的。

Cycle8

Cycle8

Cycle8

Cycle 9

Cycle 10

Cycle 11

Cycle 12

Cycle 13

Cycle 14

Cycle 15

Cycle 16

Cycle 17

Cycle 18

Cycle 19

Cycle 20

Tomasulo算法性能分析

1. Tomasulo算法完善的处理了数据冲突，与分支预测和猜测执行配合起来后能达到很高的性能，当今处理器仍在广泛采用
2. 仍没有处理控制冲突，乱序执行仍局限在一个基本块内
3. 要求高速CDB: 性能受限于Common Data Bus