Предположим стандартный конвейер из пяти стадий: IF, ID, EX, MEM, WB.
1) Какие конфликты возникают (RAW/структурные/«контрольные» — т.е. из‑за вставки пузырей):
- LOAD R1
- результат появляется только после стадии MEM и записывается в регистровый файл на WB.
- ADD R1,R2,R3 (зависит от результата LOAD)
- классический load‑use RAW: без форвардинга следующая инструкция потребует, чтобы результат был записан в регистр (WB$)$ → нужно задержать EX у ADD. В варианте без форвардинга это даёт задержку 2\) цикла(ов) по сравнению с идеальной конвейерной загрузкой; при наличии обычного форвардинга (EX/MEM → EX и MEM/WB → EX) задержка снижается до 1\) цикла (load‑use stall), потому что данные доступны только после MEM.
- STORE R1 (записывает то же R1)
- зависимость от результата ADD (RAW): обычно может быть решена форвардингом результата ADD в стадию MEM для выполнения записи, поэтому дополнительных циклов не требуется при наличии соответствующих путей.
- структурные конфликты:
- если память инструкций и данных реализованы как единый однопортовый блок, возможен конфликт между IF (fetch) и MEM (data access) — в цикле, когда LOAD выполняет MEM, нельзя одновременно брать инструкцию → вставка пузыря (обычно 1\) цикл при каждом конфликте).
- «контрольные» конфликты (в смысле управления конвейером) — это вставка пузырей аппаратурой (interlock) для разрешения load‑use и структурных конфликтов; в нашем примере основная «контрольная» задержка — именно load‑use stall 1\) цикл при форвардинге, 2\) цикла без него.
2) Конкретная оценка задержек (пример):
- Без форвардинга и с единым портом памяти: LOAD→ADD заставит ADD ждать до WB → ADD получает EX только через 2\) дополнительных цикла; ещё можно получить 1\) цикл за structural IF/MEM конфликт. Общая потеря ≈ 3\) цикла(ов) по сравнению с идеалом.
- С форвардингом (обычным) и раздельной памятью: load‑use даёт 1\) цикл stall; ADD→STORE решается без доп. задержек; структурных конфликтов нет → потеря 1\) цикл.
- С форвардингом + перестановкой (вставка независимой инструкции между LOAD и ADD): можно полностью скрыть этот 1\) цикл и получить нулевую потерю, если есть независимая полезная инструкция.
3) Методы уменьшения задержек, примеры и компромиссы:
- Форвардинг (bypass):
- что даёт: убирает большинство RAW‑задержек; снижает load‑use с 2\) до 1\) цикла.
- цена: дополнительная логика (мультиплексоры, контроллер сопоставления зависимостей), осложнение критического пути.
- Специальная обработка load‑use (load‑forwarding/early‑load):
- в некоторых архитектурах можно дозаполнять EX из выхода кеша раньше, но это усложняет память/кеш; теоретически может убрать даже тот последний 1\) цикл, но редко дешёво реализуемо.
- Переназначение регистров (компилятор/ренейминг):
- пример: заменить R1 временным R4 и переадресовать последующие операции: LOAD R4; ADD R4,R2,R3; STORE R4 — тогда зависимости с исходным R1 отсутствуют.
- что даёт: устраняет RAW без аппаратных задержек.
- цена: нужен компилятор/аппаратный renamer; увеличивается давление на регистры; возможны ошибки, если код имеет побочные обращения к R1 (семантика должна сохраняться).
- Перестановка/инсёрт независимых инструкций (компилер/ручной расписание):
- вставить между LOAD и ADD инструкцию, не зависящую от R1, чтобы «закрыть» 1\) цикл stall.
- что даёт: простое и дешёвое решение; эффективно если есть независимые операции.
- цена: не всегда доступно; требует анализа кода/компилятора; может ухудшить читаемость.
- Разделение памяти (Harvard, отдельные порты/кеши):
- устраняет IF↔MEM структурные конфликты.
- цена: больше аппаратных ресурсов, площадь, сложность кэшей/кохеренси.
- Out‑of‑order + register renaming:
- самый мощный метод: аппаратно переупорядочивает, скрывая задержки, не требуя статической перестановки.
- цена: значительно большая сложность, энергопотребление, стоимость.
- Наложение нопов (NOP):
- простой софт‑подход: вставить NOP между LOAD и ADD → покрывает 1\) цикл (или 2\) без форвардинга).
- цена: потеря производительности, плохой код.
4) Рекомендации (компромисс):
- Минимальные затраты/хороший эффект: реализовать форвардинг + компиляторное расписание (перестановка независимых инструкций). Это обычно снимает основной один‑цикловый load‑use stall.
- Если встречаются IF↔MEM конфликты — разделить кэши инструкций и данных или сделать двухпортовую память.
- Для максимальной производительности (и если бюджет/энергия позволяют) — аппаратный renaming + out‑of‑order; для встраиваемых/дешёвых реализаций достаточно форвардинга и оптимизаций компилятора.
Кратко: в данном фрагменте основная задержка — load‑use RAW (typical stall 1\) цикл с форвардингом, 2\) без него); структурные IF/MEM конфликты дают дополнительные 1\) цикл при однопортовой памяти. Решения: форвардинг, переименование регистров и/или перестановка инструкций; каждое уменьшает задержку ценой аппаратной сложности или компиляторной сложности/давления на регистры.