在6级标量或超标量MIPS中，一次未命中预测需要杀死多少条指令？

Question

我正在处理一个有6个阶段的管道：F D I X0 X1 W。有人问我当分支未命中预测发生时需要杀死多少指令。

我想出了4个。我认为这是因为分支解析发生在X1中，我们需要终止分支之后的所有指令。在管道图中，似乎需要终止正在流经管道的4条指令。对吗？

我还被问到如果管道是一个三宽的超标量，需要杀死多少个。这个我不确定。我认为应该是12个，因为您一次可以获取3条指令。对吗？

Answer 1

删除分支后的所有指令

如果这是真正的MIPS，则不会。MIPS有一个分支延迟槽：无论是否执行分支，分支后的指令总是执行。（jal的返回地址是延迟槽的末尾，因此它不会执行两次。）

这足以完全隐藏经典MIPS I（R2000）上的1周期分支延迟，它使用标量经典RISC 5级管道。它通过从EX时钟周期的前半部分转发到从时钟周期的后半部分开始的IF来管理1周期分支延迟。这就是为什么MIPS分支条件都是“简单的”（不需要通过整个单词进行进位传播），例如两个寄存器之间的beq，但只有一个操作数bgez/bltz与隐式0进行有符号2的补码比较。这只需要检查符号位。

如果您的管道设计得很好，那么您会期望它在X0之后解析分支，因为MIPS ISA已经被限制为使ALU易于做出低延迟分支决策。但很明显，您的管道没有得到优化，分支决策直到X1结束时才准备就绪，无法让它运行MIPS代码而不是RISC-V或任何其他RISC指令集。

我想到了4。我认为这是因为分支解析发生在X1中，我们需要杀死分支之后的所有指令。

我认为4个周期适合于没有分支延迟槽的通用标量管道。

在X1周期结束时，前4个管道阶段中的每一个都有一条指令，等待在该时钟边缘移动到下一个阶段。（假设没有其他管道气泡）。延迟槽指令就是其中之一，不需要被杀死。

（除非有I-cache未命中获取延迟槽指令，否则延迟槽指令可能还没有在管道中。所以它不像杀死X0之前的3个阶段那么简单，甚至不像杀死管道中除了最旧的先前指令之外的所有指令那么简单。延迟槽不能自由实现，也使异常处理复杂化。）

So 0。。3条指令需要在从F到I的管道阶段中终止。（如果延迟槽指令可能在其中一个阶段中，您必须检测到这种特殊情况。如果不是，例如，I-cache未命中延迟足够长，它要么在X0中，要么仍在等待提取，那么管道可以终止前3个阶段，并根据X0是否为气泡来执行某些操作。）

我想应该是12条，因为你一次可以拿到3条指令

不可以。请记住，分支本身是可以通过管道的一组3条指令之一。在predict not take的情况下，解码阶段可能会将该获取/解码组中的所有3条指令发送到管道中。

我认为最糟糕的情况是，分支是组中的第一条（程序顺序中最旧的）指令。然后，必须终止X1中该组的1条（或2条没有分支延迟槽的）指令，以及前一阶段的所有指令。然后（假设没有气泡），您将取消13条（或14条）指令，每个前一阶段中有3条。

最好的情况是分支在一组3中是最后一个（程序顺序中最年轻的）。然后您将丢弃11个（或12个没有延迟槽）。

因此，对于没有延迟槽的3宽版本的管道，根据之前管道阶段中的气泡，您将杀死已经在管道中的0...14条指令。

实施延迟时隙吸盘；新的ISA不公开管道细节是有原因的。长期痛苦换取短期收益。