MIPS中分支指令的NOP数

Question

我们最近在讨论单周期和流水线处理器时讨论了电路类中的NOP。如果我们有以下代码：

add $t1, $t2, $t3
sub $t4, $t1, $t0

由于$t1存在数据危险。在没有数据危险检测单元的流水线处理器中，在更新后的值t1写入寄存器之前，子指令使用旧值，因此是数据危险。如果我们添加2个NOP，那么我们可以解决这个问题，或者如果有数据危险检测单元，我们可以在执行阶段后将结果转发给t1。

然而，如果我们有一个分支指令呢？例如：

add $t1, $t2, $t3
beq $t0, $t1, Label

如果我们不能使用转发，我们是否也在这里添加2个NOPS？

Answer 1

如果没有架构上的额外细节，很难肯定地回答。而且有这么多版本的mips架构存在。

但先看看你的索赔

add $t1, $t2, $t3
sub $t4, $t1, $t0

存在数据危险，因为$t1...

正当

如果我们添加2个NOP，那么我们可以解决这个问题

不完全是。如果没有任何数据转发意味着，使用一个NOP，新$t1将在MM/WR管道规则中，使用第二个NOP，它将被写回寄存器组。但不是DI/EX管道规则。因此，要在只有两个NOPS的情况下获得适当的行为，您需要一种将写回寄存器组的数据转发到DI/EX规则的方法，或者使用一些技巧，例如在寄存器组时钟的下降沿写入并在周期的第二部分读取它。

我们将假设您的假设是正确的，并且在注册库的输入和输出之间存在某种转发。

关于分支指令，有几种方法可以实现它们。

最明显的方法是使用EX-stage同时计算条件（$t0=？$t1）和ALU以及带有附加加法器的分支地址。但is有一个主要缺点：在完成此计算时，LI阶段正在获取一条新指令（其中一条已经处于解码阶段），这将导致2个周期的分支惩罚。

在经典的mips管道中所做的是在解码阶段处理分支。在此阶段，加法器使用PC immediate计算分支地址，并添加专用比较器以直接比较寄存器组的输出（顺便说一句，这就是为什么您只能对分支指令进行比较eq/neq，以简化此比较器，而ALU比较器可以进行其他类型的比较）。这样，分支惩罚仅为一个周期。

如果我们假设这是您的实际架构，并且我们没有转发手段，除了寄存器库，那么一个NOP就足够了。在一个NOP之后，$t1的新值在MEM/WR管道规则中。在下一个周期，它将在上半周期被写回寄存器库，并可用于下半周期的分支比较。

当然，如果您假设分支在EX阶段被处理（并且您有2个周期的分支惩罚），那么需要第二个NOP。

Answer 2

在没有分支预测的标准流水线MIPS处理器中，beq的相等性测试在ALU中执行，即在EX阶段，这意味着它受相同ALU的约束-

（这与执行分支指令后可能发生的管道重新填充暂停无关，与执行或预测失误的分支无关，而只与显示的数据依赖关系的延迟有关。）

如果理论处理器是流水线的，但没有危险保护（旁路或延迟），则需要与第一个场景相同的2个NOP。