乱序流水线与顺序流水线

介绍

这篇博文将介绍顺序流水线及其特点和弊端，同时引入乱序流水线。

什么是流水线

标准的流水线为Fetch，Decode，Execute，Memory，Write Back，五个阶段。通过把一个完整的指令分解成五个部分后，一个指令的超长的关键路径（critical path）分割成五个较短的模块。
流水线的频率就能提高：
通常这个系统能跑多快取决于这个关键路径的长度，因为关键路径越长，延时就会变长导致高频率的系统无法正常工作。但是当绝对路径被拆分成五个阶段了以后，频率就能提高约五倍。
增加吞吐量（throughput）：
因为运用了流水线，系统可以不需要处理完一条指令后才能执行下一条。以五个模块为单位，当信号走过第一个模块后，下一个指令就可以被执行。所以虽然单指令的延迟（latency）变长了，但是吞吐量会大幅度变大。

顺序流水线特点

以上的流水线为顺序的流水线，顺序流水线比较简单，但是有不少问题影响效率。
1: 数据冲突（RAW）
当写入寄存器还没完成的时候，读取该寄存器的值会是错误的，所以整个流水线必须等写入指令完成了才能继续。浪费时间。
2:结构冲突（structure hazard）
当之前的模块还在计算运行的时候，之后的指令必须等模块闲置了才能继续。浪费时间。
举例：

1
2
3

ld   f2,x{ro}
addf f2,f2,f3
subf f4,f0,f1

1	2	3	4	5	6	7	8	9
F	D	E	M1	M2	M3	W
	F	D	d*	d*	d*	E	W
		F	p*	p*	p*	p*	E	W

上述流水线显示d*表示f2数据还没有从内存中读取出来，所以f2+f3的操作需要暂停，直到f2数据准备好。这是数据冲突中的一种：写后读（read after write）。

上述流水线显示p*表示decode译码单元还在忙碌，所以需要等待译码单元结束，后续指令才能继续。

小总结

一些冲突的出现会让剩下的指令全部进入等待的状态，所以如果有一个乱序的流水线，在一个指令进入冲突的时候，启动其他独立的指令提高效率。

乱序流水线大致长什么样

因为需要乱序的流水线，所以乱序流水线需要具备以下功能
动态调度（dynamic scheduling）需要在指令被暂停时，优先执行那些独立的指令最大化效率。
寄存器重命名（register renaming）需要在乱序运行中把register destination重新命名。防止乱序运算中的WAW，WAR数据冲突。
精准中断（precise interrupt）需要在中断生效的时候，把乱序运算的一些跳跃的指令回滚到正确的位置。

乱序流水线较为复杂，所以今天暂时做一个介绍，接下来慢慢介绍各个部分及产生的原因。