4.4.4 带反馈的流水线系统

到目前为止，我们只考虑一种系统，其中传过流水线的对象，无论是汽车、人或者指令，相互都是完全独立的。但是，对于像 x86-64 或 Y86-64 这样执行机器程序的系统来说，相邻指令之间很可能是相关的。例如，考虑下面这个 Y86-64 指令序列：

1   irmovq $50,%rax
2   addq %rax,%rbx
3   mrmovq 100(%rbx),%rdx

在这个包含三条指令的序列中，每对相邻的指令之间都有数据相关（data dependency），用带圈的寄存器名字和它们之间的箭头来表示。irmovq 指令（第 1 行）将它的结果存放在 %rax 中，然后 addq 指令（第 2 行）要读这个值；而 addq 指令将它的结果存放在 %rbx 中，mrmovq 指令（第 3 行）要读这个值。

另一种相关是由于指令控制流造成的顺序相关。来看看下面这个 Y86-64 指令序列：

1   loop:
2       subq %rdx,%rbx
3       jne targ
4       irmovq $10,%rdx
5       jmp loop
6   targ:
7       halt

jne 指令（第 3 行）产生了一个控制相关（control dependency），因为条件测试的结果会决定要执行的新指令是 irmovq 指令（第 4 行）还是 halt 指令（第 7 行）。在我们的 SEQ 设计中，这些相关都是由反馈路径来解决的，如图 4-22 的右边所示。这些反馈将更新了的寄存器值向下传送到寄存器文件，将新的 PC 值向下传送到 PC 寄存器。

图 4-38 举例说明了将流水线引入含有反馈路径的系统中的危险。在原来的系统（图 4-38a）中，每条指令的结果都反馈给下一条指令。流水线图（图 4-38b）就说明了这个情况，I1 的结果成为 I2 的输入，依此类推。如果试图以最直接的方式将它转换成一个三阶段流水线（图 4-38c），我们将改变系统的行为。如图 4-38c 所示，I1 的结果成为 I4 的输入。为了通过流水线技术加速系统，我们改变了系统的行为。

图 4-38 由逻辑相关造成的流水线技术的局限性

图 4-38　由逻辑相关造成的流水线技术的局限性。在从未流水线化的带反馈的系统 a 转化到流水线化的系统 c 的过程中，我们改变了它的计算行为，可以从两个流水线图（b 和 d）中看出来

当我们将流水线技术引入 Y86-64 处理器时，必须正确处理反馈的影响。很明显，像图 4-38 中的例子那样改变系统的行为是不可接受的。我们必须以某种方式来处理指令间的数据和控制相关，以使得到的行为与 ISA 定义的模型相符。