MinJohnson
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计算机体系结构----重排序缓冲（ROB）

ROB的思想：不按顺序完成指令，但在使结果对体系结构状态可见之前重新排序

  • 当指令被解码时，它会在 ROB 中保留下一个顺序条目
  • 当指令完成时，它将结果写入 ROB 条目
  • 当指令在 ROB 中最早并且无一例外地完成时，其结果移动到寄存器堆或存储器中
  • 缓冲有关已解码但尚未停用（retire）/提交（commit）的所有指令的信息

计算机体系结构----重排序缓冲（ROB）_第1张图片

重排序缓冲的条目ROB Entry

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  • 正确地将指令重新排序回程序顺序
  • 使用指令的结果更新架构状态，如果指令可以毫无问题地退出
  • 精确处理异常/中断，如果需要在停用指令之前处理异常/中断
  • 需要有效位来跟踪结果的准备情况，并找出指令是否已完成执行

ROB是环形缓冲器

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ROB存在两个指针，一个用来指示最早进入ROB的指令，一个用来指示最晚的。

Tomasulo系统复习

计算机体系结构----重排序缓冲（ROB）_第4张图片
详细的Tomasulo系统解释点击这个：计算机体系结构----寄存器重命名/Tomasulo算法

Tomasulo+ROB

计算机体系结构----重排序缓冲（ROB）_第5张图片

  1. 在指令完成时首先将结果写入 ROB
  2. 在提交时将结果写入寄存器堆
  3. 如果后面的指令需要重排序缓冲区中的值怎么办？
  • 一种选择：流水线停顿
  • 更好的做法：从重排序缓冲区中读取值。

一个简易的假如ROB的流水线示意图如下：
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访问ROB的方法1

寄存器值可以位于寄存器堆、重新排序缓冲区（或旁路/转发路径）中。

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看上图可以发现，访问ROB中所需求的寄存器的值就是遍历法，从上往下一一比对ROB Dest reg ID 直到一样。

访问ROB的方法2

  1. 首先访问寄存器堆（检查寄存器是否有效）
  • 如果寄存器无效，寄存器堆存储包含（或将包含）寄存器值的重新排序缓冲区条目的 ID
  • 寄存器到 ROB 条目的映射： 如果寄存器堆有写入寄存器的飞行指令，则寄存器堆将寄存器映射到重新排序缓冲区条目
  1. 访问重新排序缓冲区
  2. 现在， 重新排序缓冲区不需要是内容可寻址的
    计算机体系结构----重排序缓冲（ROB）_第9张图片
    相较于访问ROB方法1，方法2在寄存器堆中添加了Tag位，用于直接映射到ROB的条目，方便寻找。

ROB的流水线构造

  1. Decode（D）：访问regfile/ROB，在ROB中分配条目，检查指令是否可以执行，如果可以，则调度指令
  2. Execute （E）：指令可以无序完成
  3. Completion （R）：将结果写入重新排序缓冲区
  4. Retirement/Commit （W）：检查异常;如果没有，则将结果写入架构寄存器文件或存储器;否则，刷新流水线并从异常处理程序开始
  5. 按顺序调度/执行、无序完成、按顺序停用（retirement）

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Tomasulo+ROB运行示例

初始状态

假设延时：Load:1, Add:2, Mult:6, Divide:12
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可以发现 ，每条指令都在ROB中有一个条目（entry）

CC1：第一条Load发射

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CC2：第一条Load完成地址计算；第二条Load发射

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CC3：第一条Load执行完毕；第二条Load等待；MUL.D发射

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CC4：第一条Load写回完毕；第二条Load等待；MUL.D等待操作数；SUB.D发射

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CC5：第一条Load提交；第二条Load完成地址计算；MUL.D/SUB.D等待操作数；DIV.D发射

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CC6：第二条Load执行完毕；MUL.D/SUB.D/DIV.D等待操作数；ADD.D发射

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CC7：第二条Load写回完毕；MUL.D/SUB.D就绪；DIV.D/ADD.D等待操作数

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CC8：第二条Load提交；MUL.D/SUB.D执行完第一拍；DIV.D/ADD.D等待操作数

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CC9：SUB.D执行完毕；MUL.D执行完第二拍；DIV.D/ADD.D等待操作数

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CC10：SUB.D写回完毕；MUL.D执行完第三拍；ADD.D就绪；DIV.D等待操作数

计算机体系结构----重排序缓冲（ROB）_第21张图片

CC11：SUB.D等待提交；MUL.D执行完第四拍；ADD.D执行完第一拍；DIV.D等待操作数

计算机体系结构----重排序缓冲（ROB）_第22张图片

CC12：ADD.D执行完毕；SUB.D等待提交；MUL.D执行完第五拍；DIV.D等待操作数

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CC13：ADD.D写回完毕；MUL.D执行完毕；SUB.D等待提交；DIV.D等待操作数

计算机体系结构----重排序缓冲（ROB）_第24张图片

CC14：MUL.D写回完毕；DIV.D就绪；SUB.D/ADD.D等待提交

计算机体系结构----重排序缓冲（ROB）_第25张图片

CC15：MUL.D提交；DIV.D执行完毕第一拍；SUB.D/ADD.D等待提交

计算机体系结构----重排序缓冲（ROB）_第26张图片

CC16：SUB.D提交；DIV.D执行完毕第二拍；ADD.D等待提交

计算机体系结构----重排序缓冲（ROB）_第27张图片

CC26：DIV.D执行完毕；ADD.D等待提交

计算机体系结构----重排序缓冲（ROB）_第28张图片

CC27：DIV.D写回完毕；ADD.D等待提交

计算机体系结构----重排序缓冲（ROB）_第29张图片

CC28：DIV.D提交；ADD.D等待提交

计算机体系结构----重排序缓冲（ROB）_第30张图片

CC29：ADD.D提交

计算机体系结构----重排序缓冲（ROB）_第31张图片

ROB的折衷

  1. 优点 ：
  • 概念简单，支持精确异常
  • 可以消除错误的依赖性
  1. 缺点：
  • 需要访问重新排序缓冲区以获得尚未写入寄存器文件的结果 ，CAM 或间接会增加延迟和复杂性
  1. 其他解决方案旨在消除缺点
  • History buffer
  • Future file
  • Checkpointing

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