Quando si ha un salto condizionato, il meccanismo di pipeline assume che la prossima istruzione sia da prendere all’indirizzo PC (Program Counter)+4 quindi già la carica, ma se la condizione di branch si verifica allora si dovrà scartarla e prendere quella indicata dalla destinazione del salto.
N.B.: l’implementazione di
beqche studiamo in questo corso funziona così ed è detta soluzione HW (HardWare) perché serve modificare i componenti della pipeline per implementarla.
Oppure un’altra soluzione è caricare l’istruzione solo dopo che il salto è stato già deciso, inserendo degli stalli.
- Se il salto è deciso in EXE, cioè determinato dalla ALU, allora sono necessari 2 stalli.
- Se il salto è deciso in ID, cioè preso direttamente dall’istruzione o da un’unità di comparazione aggiuntiva (fatta apposta solo per questo lavoro) che si attiva durante la fase ID, allora è necessario 1 stallo.
Esempio con salto determinato in EXE dalla ALU (2 stalli):
Cicli: 1 2 3 4 5 6 7 8 9
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add x4, x5, x6 | IF ID EX MM WB
beq x1, x0, 40 | IF ID EX MM WB
[stallo] | - - - - -
[stallo] | - - - - -
or x7, x8, x9 | IF ID EX MM WB
Avvenuta la fase EX di beq nel ciclo 4, nel ciclo 5 si potrĂ decidere se eseguire o meno or (in questo caso si assume che la condizione di salto non si verifica e or viene eseguita).
Esempio con salto determinato in ID (1 stallo):
Cicli: 1 2 3 4 5 6 7 8 9
-------------------------------------------
add x4, x5, x6 | IF ID EX MM WB
beq x1, x0, 40 | IF ID EX MM WB
[stallo] | - - - - -
or x7, x8, x9 | IF ID EX MM WB
Avvenuta la fase ID di beq nel ciclo 3, nel ciclo 4 si potrĂ decidere se eseguire o meno or (in questo caso si assume che la condizione di salto non si verifica e or viene eseguita).
Tutti i modi per mitigare i control hazard
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Caricando la prossima istruzione e eventualmente scartarla (soluzione HW):
- Se il salto avviene ed è deciso dall’ALU nella fase EX bisognerà scartare 2 istruzioni già caricate.
- Se il salto avviene ed è deciso dalla CU (Control Unit) nella fase ID bisognerà scartare un’istruzione.
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Ritardando il fetch dell’istruzione dopo il salto inserendo degli stalli.
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Con la Branch Prediction, dove la CPU osserva la frequenza con cui un determinato salto avviene o meno e pre-carica l’istruzione eseguita più spesso (l’istruzione seguente o quella alla destinazione del salto). Se la predizione è sbagliata, la CPU lo scopre alcune fasi dopo, tipicamente nella fase EX, dove l’ALU calcola effettivamente l’indirizzo del salto o valuta la condizione: la CPU deve svuotare la pipeline (flush) per eliminare tutte le istruzioni sbagliate, poi riprendere l’esecuzione dall’indirizzo corretto del salto. Ciò introduce un ritardo di tanti cicli quante sono le istruzioni sbagliate nella pipeline.
todo cose del pdf 17.