体系结构笔记------动态调度中的Tomasulo算法

核心思想
算法阶段
- Issue
- Execution
- Write result
保留站组成
小结

核心思想

Tomasulo算法采用寄存器重命名（Renaming）方法，将记分牌中的寄存器和指令的运算内容用一大组"虚拟寄存器名"来代替（也就是下面的保留站）。
功能部件缓冲器称为 “保留站(reservation stations)”，用来存放未决的操作数；
指令中的寄存器被数值或者指向保留站的指针代替，这一过程称为:寄存器换名(register renaming) ;
保留站比实际寄存器多，因而可以完成编译器所不能完成的一些优化工作；以消除WAR、WAW冒险；

装入（Load）和存储（Stores）也象其他功能部件一样具有保留站（专门的缓冲器）；
运算结果无需通过寄存器, 而是通过公共数据总线（Common Data Bus）把结果广播到所有的功能部件上；
公共数据总线：数据 + 源 (“来源”总线)，如果与期望的功能部件匹配，就“写”(产生结果)；传输是以广播方式进行。

算法阶段

Issue

从图中的FP Op Queue中取出指令，如果保留站空闲 (无结构冒险), 控制机制发射指令，发送操作数(对寄存器进行换名，消除名相关)。

Execution

对操作数执行操作(EX)，如果两个操作数都已就绪，就执行(RAW的处理)；如果没有就绪，就观测公共数据总线等待所需结果；

Write result

完成执行(WB)，通过公共数据总线将结果写入到所有等待的部件；标记保留站可用 (Not busy)，并从CDB写入目的寄存器，当连续写同一寄存器时，只有最后一次才能写入，消除了WAW。

保留站组成

Op：该部件将完成的具体操作(例如, + or –)
Vj, Vk：源操作数的实际数值，存储缓冲器(Store buffers)设有V域，存放将存储的结果；
Qj, Qk：—将产生源寄存器值（将写的值）的保留站。
Busy：指明保留站或FU处于忙状态
Register result status：指明哪个功能部件将写到哪个寄存器(Qi)。如果没有将写入寄存器的未决指令，该域为空；
在tomasulo算法中Qj,Qk=0 就表示操作数处于ready状态。

load也有专门的保留站，其中address是要读取的内存地址的值。
在基于tomasulo算法的动态调度中,指令是：按序发送、乱序执行、乱序完成的。

小结

相比于记分板算法，Tomasulo运行相同的程序的时间要比记分板小，主要由于对WAR与WAW的处理上，Tomasulo以换名来避免，而记分板直接是暂停等待，但是在实现上Tomasulo需要的硬件要求与成本都太高。需要大量高速的相联存储(associative buffer)，而且公共数据总线是制约性能增长的瓶颈，每个CDB必须广播到多个功能部件单元（大容量、写操作密集），每个周期可以同时完成的功能部件数量可能由于单总线而受限（最坏情况为“1”）；对于多个CDB来说，为完成并行相联存储，功能部件FU需要更复杂的逻辑控制；