单周期处理器设计

参考资料

• 跟我一步一步实现简单的五级流水MIPS：https://github.com/hitwh-nscscc/simple-5stage-pipeline-MIPS-imple
• Build Your PC：https://zanpu.spencerwoo.com

专业名词

第一章

• Microarchitecture 微架构
• Superscalar 超标量
• IPC(Instructions Per Cycle) 一个周期可执行的指令
  • 普通流水线≤1
  • superscalar＞1
• CPI(Cycles Per Instruction) 每条指令所需要的周期数，
• CPI = 1/IPC
• mis-prediction 预测失败
• penalty 惩罚
• n-way superscalar 每个周期从I-Cache取n条指令
• VLIW(Very Long Instructin Word) 超长指令字
• tradeoff 折中
• issue quenue 发射队列
• select 仲裁
• Unpipelined
• N stage Pipeline
• RAW(Read After Write) , true dependence 写后读
• WAR(Write After Read) , anti-dependence 读后写
• WAW(Write After Write), output- dependence 邂逅写
• control dependence 控制相关性
• bypass 旁路
• in-order 顺序
• out-of-order 乱序
• 超标量处理器的stages
  1. Frontend = Fetch + Decode
  2. Issue 发射，将指令送入到对应的功能单元
     • IQ(Issue Quence)发射队列
     • Function Unit
     • ScoreBoard用来记录流水线中每个指令的执行情况
  3. WriteBack
     1. Register Renaming 寄存器重命名
     2. ARF(Architecture Register File) 逻辑寄存器
     3. PRF(Physical Register File) 物理寄存器 也叫 Future File因为分支预测和意外等原因，不一定会写回的寄存器
  4. Commit 一条指令被允许更改处理器的状态
     • Architecture state(例如D-Cache)
     • ROB 重排序缓冲
     • PRF搬运到ARF
     • retire 指令退休，一旦指令退休就无法回到之前状态

• ScoreBoard

  • Pending：表示指令结果还么有协会到逻辑寄存器
  • F：一条指令在那个FU执行
  • Result Position：一条指令到达FU的哪个阶段

• Store Buffer (SB)

• 阶段总结
  • Fetch
  • Decode
  • Register Renaming
  • Dispath分发
  • Issue发射
  • Register File Read读寄存器
  • Execute 执行
  • Write back 写回
  • Commit 提交

第二章 Cache

• temporal locality 时间相关性
• spatial locality 空间相关性