Pipeline Hazards

• Read와 Write가 동시에 발생한다면? old value를 읽게 될 것이다.

• Read : ID / Write : WB 단계에서 하므로 동시에 진행할 수 없다(갱신된 값을 쓰고 싶을때!)
  • 그러므로 Bypass를 이용하여 older 명령어의 값을 younger 명령어의 값으로 보낸다!
• Bypass 우회
  • 기본적인 data path 개념 ! 따로 그릴 필요는 없다.

• 원래는 저장이 되고 그 후에 ID에서 쓸 수 있지만, bypass를 사용하면 저장하는 동시에 ID에서 사용할 수 있다.

• Forwarding (실제 계산이 되는 것은 EX단계이므로, 같은 pipeline인 ID단계말고 뒷명령어의 EX단계 실행전으로 보내버림

  • Mem → EX forwarding

  

  • WB → EX forwarding (sub과 or사이에 한 칸 띄어져 있는 것임)

  

  • forwading condition (조건)

    

    • EX Hazard (데이터 하자드 중 하나)

      • 조건

        1. EX/MEM.RegisterRd = ID/EX.RegisterRs1
        2. EX/MEM.RegisterRd = ID/EX.RegisterRs2
        • 1 or 2 둘 중 하나라도 만족한다면 EX Hazard (EX/MEM FF로부터 forward해야됌)

        

    • MEM Hazard (데이터 하자드 중 하나)

      • 조건

        1. MEM/WB.RegisterRd = ID/EX.RegisterRs1
        2. MEM/WB.RegisterRd = ID/EX.RegisterRs2
        • 1 or 2 둘 중 하나라도 만족한다면 MEM Hazard (MEM/WB 로부터 forward해야됌)

        

  • forwarding path

    

    • Default (No forwarding) : ForwardA = 00
    • EX hazard : 조건 : (EX/MEM.RegisterRd = ID/EX.RegisterRs1) → ForwardA = 10
    • MEM hazard : (EX/MEM.RegisterRd = ID/EX.RegisterRs1) → ForwardA = 01
      • ForwardA → rs1 / ForwardB → rs2

  • Forward가 필요한 경우

    • 실제 register에 대한 접근이 있을때만! → EX/MEM.RegWrite = 1, MEM/WB.RegWrite = 1
      • rd가 없을 경우는 imm[4:0]이 rd자리의 bit이기에 ! 잘구분하자
    • Rd가 0이 아닐때만! → EX/MEM.RegisterRd ≠ 0, MEM/WB.RegisterRd ≠ 0

    

    • 조건추가

      • Default (No forwarding) : ForwardA = 00,
      • EX hazard : 조건 : (EX/MEM.RegWrite and (EX/MEM.RegisterRd ≠ 0) and (EX/MEM.RegisterRd = ID/EX.RegisterRs1)) → ForwardA = 10
      • MEM hazard : 조건 : (MEM/WB.RegWrite and (MEM/WB.RegisterRd ≠ 0) and (MEM/WB.RegisterRd = ID/EX.RegisterRs1)) → ForwardA = 01

      

• Double data hazard

  • EX hazard, Mem hazard 둘 다 발생! → 조건추가 : EX hazard 없을때만 MEM hazard fowarding!

    • 이유 : ex hazard는 1줄 차이이고, mem hazard는 2줄차이라

      줄의 갯수 차이가 더 적게 나는 것이 최근 데이터 값이기에

  

  • 조건 추가

    • EX hazard : 조건 : (EX/MEM.RegWrite and (EX/MEM.RegisterRd ≠ 0) and (EX/MEM.RegisterRd = ID/EX.RegisterRs1)) → ForwardA = 10

    • MEM hazard : 조건 : (MEM/WB.RegWrite and (MEM/WB.RegisterRd ≠ 0) and

                                          and no EX hazard
      
                                   (MEM/WB.RegisterRd = ID/EX.RegisterRs1)) → **ForwardA = 01**
      

  • 최종적인 Data hazard 흐름

    

    • Load Use data hazard

      • load의 경우엔 좀 다르다 (ALU계산은 EX에서 끝나고 바로 보내면 되지만, Load는 Mem단계 후에 보내야 하기에 다르다!) 아래 그림 빨간색 화살표 참고!

      

      • stall이 불가피하다! (ID 스테이지가 되어야 본인이 필요한 레지스터의 정보를 해독하기 때문에)

        

        

        • 1개의 bubble후에 forwarding으로 해결!

        

        • 좀 더 자세한 과정

          • lw가 EX / and가 ID단계이기 전까지는 forwarding이 필요한지 모름
          • lw가 EX / and가 ID단계가 되었을 때 깨달음!

          

          그래서 중간에 버블을 하나 만들고 and는 ID단계에 머무르도록 함

          

          • 위의 그림에서 알 수 있듯이 bubble이 발생한다는 것은
            • EX, MEM, WB는 1번씩 건너뛰기 (skip)
              • All control signals (RegWrite, MemWrite, MemRead,…) : 0 으로!
              • 다 0이면 하는 것이 없기에!
              • 메모리 데이터를 프로세스 밖의 장치를 연결해 사용하는 경우에 오류날수도?
            • ID, IF는 1번씩 반복하기 (repeat)
              • ID → IF/IDWrite signal : 0으로 (기본은 1) (IF/ID 파이프라인 reg 변화하면 안되므로!)
                • write signal은 IF단계에서 가져온 명령어를 ID단계로 전달할지(1) 말지(0)를 정함
              • IF → PCWrite signal : 0으로 (기본은 1) (PC값이 변하면 안되므로!)

        • Detection 탐지

          • ID 단계를 check해라!
            • IF/ID.RegisterRs1, IF/ID.RegisterRs2, ID/EX.RegisterRd(load의 목적지)를 체크해라!
          • Load use hazard를 사용해라 언제?
          • 탐지되었다면, bubble을 만들고 stall해라!
          • 단, 버블이 필요없는 경우도 있다 (rd = 0인 경우)

          

          • 탐지의 데이터 경로

          

          • cpu가 stall을 피하려고 알아서 **스케쥴링(재조정)**할 수도 있다!