第一张图没有传递机制

竞争情况分析

1. 读后写（RAW）竞争：当某条指令需要读取一个寄存器的值，而该寄存器的值尚未被前面的指令写入时，就会发生这种竞争。

   • 指令2（dadd r1, r1, r3）依赖于指令1（dadd r1, r1, r2）的结果，因为它也需要使用寄存器r1。但是此时指令1还未完成写回（WB）阶段。
   • 指令3（dadd r1, r1, r4）同样依赖于指令2的结果，因此也存在RAW竞争。

2. 流水线暂停（Stalls）：为了处理这些数据竞争，流水线引入了暂停（即指令2和指令3中空白的部分）。这些暂停使得指令可以延迟执行，等待前面的指令写回所需的数据。

第二张图有传递机制

在流水线处理器中，前递（Forwarding），也叫数据转发，是一种解决数据冒险的技术。它通过在指令执行的不同阶段之间直接传递数据来消除依赖，而不是等待指令写回（WB）阶段完成。这样可以减少流水线的暂停（Stall），提高执行效率。

如何用前递解决数据冒险

在图中的例子里，我们有以下指令：

1. dadd r1, r1, r2
2. dadd r1, r1, r3
3. dadd r1, r1, r4

这些指令之间存在**读后写（RAW）**冒险，例如指令2依赖于指令1的结果，指令3依赖于指令2的结果。

解决步骤：

1. 检测数据依赖：流水线需要检测指令之间的数据依赖关系。例如，当指令2在ID（指令译码）阶段时，它会检查寄存器r1的值是否已经被上一条指令（即指令1）修改。

2. 前递实现：在不使用前递的情况下，指令2必须等到指令1完成WB阶段后才能读取r1的值。但是通过前递技术，处理器可以在指令1的EX（执行）阶段完成计算后，直接将结果发送到指令2的EX阶段，而不是等待WB阶段。

   • 在这种情况下，指令1的执行结果会被直接前递给指令2的EX阶段。
   • 类似地，指令2在EX阶段的结果会前递给指令3的EX阶段。

3. 减少Stall：通过前递，流水线可以消除许多数据依赖引起的暂停。例如，指令2和指令3不再需要等到前面指令完全写回后才能进行EX阶段的计算。

示例流程（按图中的例子）

假设我们在流水线中实现了前递，那么可以按以下方式执行：

• 指令1 (dadd r1, r1, r2) 在 EX 阶段计算完结果。
• 在指令1的 EX 阶段结束时，直接将结果前递给指令2的 EX 阶段，这样指令2无需等待。
• 同理，指令2的 EX 阶段结束后，将其结果前递给指令3的 EX 阶段。

在这样的操作下，指令2和指令3不需要等待寄存器的写回过程，而是直接获取前一条指令的执行结果。

总结

• 前递通过在流水线的执行阶段直接传递数据，消除了指令间的数据依赖。
• 在前递的帮助下，流水线可以减少或完全避免Stall，从而提高执行效率。
• 前递通常是在硬件中实现的，通过额外的逻辑单元来检查和转发数据。

这样，通过前递技术，可以在流水线结构中更有效地解决数据冒险问题。

• 代码来自 从零开始写riscv处理器（五）数据冒险：停顿与前递