MIPS 中是否存在执行存储数据风险？答案

【问题标题】：Is there an execute-store data hazard in MIPS?MIPS 中是否存在执行存储数据风险？
【发布时间】：2015-08-18 10:35:51
【问题描述】：

关于具有流水线和转发的 MIPS 架构：

add $s0, $t1, $t2
sw $s0, 0($sp)

add 指令将在第 3 步（执行操作）准备好结果，但是我假设 sw 指令需要第 2 步的结果（指令解码和寄存器读取）。

David A. Patterson 的 Computer Organization and Design 一书中有一个已解决的练习：找出以下代码段中的危险并重新排序指令以避免任何管道停顿：

lw  $t1, 0($t0)
lw  $t2, 4($t0)
add $t3, $t1,$t2
sw  $t3, 12($t0)
lw  $t4, 8($01)
add $t5, $t1,$t4
sw  $t5, 16($t0)

解决方案：

lw  $t1, 0($t0)
lw  $t2, 4($t1)
lw  $t4, 8($01)
add $t3, $t1,$t2
sw  $t3, 12($t0)
add $t5, $t1,$t4
sw  $t5, 16($t0)

在解决方案中，它正确识别负载使用风险并相应地重新排列代码，但是否也存在执行存储风险？

【问题讨论】：

加载使用风险来自加载需要两个周期，而其他简单指令（不包括，例如，乘法）只需要一个周期。一条简单指令的结果可以转发到下一条指令的执行阶段，因此即使是基地址寄存器值也没有危险（例如，add $t2, $t2, 1; sw $t4, 0($t2)）。对于存储，由于必须在实际写入存储数据之前完成地址生成、缓存索引和标签检查，因此可以容忍更长的延迟；在存储指令的写回阶段之前，甚至可能不需要存储数据。

【解决方案1】：

让我们考虑一个激活转发的 MIPS。我认为在这种情况下不会发生危险：实际上 ADD 指令是一个整数运算，在 MIPS 架构中只需要一个时钟周期。看这张图：

ADD $t3,$t1,$t2    IF   ID   EX   MEM   WB
SW  $t3,12($t0)         IF   ID   EX    MEM  WB

正如您所见，没有发生任何危险，因为 SW 指令在两个时钟周期后存储数据，因为结果通过 ADD 放入 $t3。

实际上，在类似情况下，可能会发生危险，但前提是该单元是多周期单元（如果它需要多个时钟周期来计算数据）。看这个例子，其中 ADD.D 指令使用浮点加法器，需要 4 个时钟周期来执行计算：

ADD.D F2,F4,F5      IF   ID   A0   A1   A2   A3   MEM   WB
S.D   F2,somewhere       IF   ID   EX   X0   X1   X2    MEM    WB

X0 和 X1 是 RAW 停顿，而 X2 是结构停顿：在前一种情况下，S.D 必须等待 ADD.D 完成；在后者中，您的 MIPS 无法在同一时钟周期内两次访问内存，因此会发生结构性停顿。

【讨论】：