《大话处理器》连载——微架构(8) 流水线上的冒险——控制冒险

 (3) 控制冒险

        从微观的角度，在流水线处理器中，指令是并行处理的，在当前指令正在执行时，后面的很多条指令已经完成了取指和译码等步骤。然而，在程序中会存在很多的跳转语句，如果程序的实际执行路径是要跳转到其他的地址去执行，那么流水线中已经做的这些取指和译码工作就白做了，这就是流水线的控制冒险。此时，处理器需要排空流水线，跳转到新的地址处重新进入流水线。由此可知，跳转对程序性能的损失是巨大的，流水线越深，损失越大。DSP流水线更深，我们以DSP流水线为例说明这个问题的危害性。

 

发生跳转时的性能损失

 

        在上面这个DSP流水线中，指令2在第8个cycle执行时，发现要跳转到其他的地方，于是流水线后面的PG等工作就全白做了。

        x86处理器使用硬件冲刷流水线来保证发生跳转时，流水线能正确执行，在DSP中，硬件不处理这些冒险，而是改由软件来处理。DSP通过增加NOP来排空流水线，在跳转语句后增加5个NOP操作来保证流水线正确。

B        loop；跳转到loop地址处 NOP   5； …… loop ：MPY ；loop为地址标志

 

加NOP解决控制冒险

 

        跳转指令的执行阶段修改程序指针的地址，加了5个NOP后，MPY的流水线正好可以顺利执行。

       在DSP中，编译器可以将指令乱序，用有效指令代替NOP指令，这样就避免了跳转带来的性能损失。

       在x86 CPU上，使用分支预测用来避免跳转带来的损失。