A.6 实验六  再定序缓冲（ROB）工作原理

A.6.1 实验目的

1.      加深对指令级并行性及其开发的理解。

2.    加深对基于硬件的前瞻执行的理解。

3.    掌握ROB在流出、执行、写结果、确认4个阶段所进行的操作。

4.    掌握ROB缓冲器的结构。

5.     给定被执行代码片段，对于具体某个时钟周期，能写出保留站、ROB以及浮点寄存器状态表内容的变化情况。

A.6.2实验平台

实验平台采用再定序缓冲ROB模拟器。

环境的建立：见A.0。

A.6.3 实验内容及步骤

首先要掌握ROB模拟器的使用方法（见A.6.4节）。

1. 假设浮点功能部件的延迟时间为加法2个时钟周期，乘法10个时钟周期，除法40个时钟周期，Load部件2个时钟周期。

（1）对于下面的代码段，给出当指令MUL.D即将确认时保留站、ROB以及浮点寄存器状态表的内容。

L.D          F6, 24（R2）

L.D          F2, 12（R3）

MUL.D    F0, F2, F4

SUB.D     F8, F6, F2

DIV.D     F10, F0, F6

ADD.D    F6, F8, F2

（2）按步进方式执行上述代码，利用模拟器的“小三角按钮”的对比显示功能，观察每一个时钟周期前后保留站、ROB以及浮点寄存器状态表的内容的变化情况。

2.对于与上面相同的延迟时间和代码段：

（1）      给出在第5个时钟周期时，保留站的内容。

（2）      步进5个时钟周期，ROB的内容有哪些变化？

（3）      再步进5个时钟周期，给出这时保留站、ROB以及浮点寄存器状态表的内容。

3. 假设浮点功能部件的延迟时间为加减法3个时钟周期，乘法8个时钟周期，除法40个时钟周期。自己编写一段程序（要在实验报告中给出），重复上述步骤2的工作。

A.6.4 ROB模拟器的使用方法

1.       设置指令和参数

本模拟器最多可以模拟10条指令。可以在“指令”区选择和设置所要的指令。“指令”区如图A.6.1所示。

         图A.6.1 “指令”区

你可以从下拉框中选择指令，供选择的指令有以下5种：

（1）L.D指令：从主存读取一个双精度浮点数；

（2）ADD.D：双精度浮点加法指令；

（3）SUB.D：双精度浮点减法指令；

（4）MULT.D：双精度浮点乘法指令；

（5）DIV.D：双精度浮点除法指令。

指令的各参数也可以从各自的下拉框中选择。

你还可以在窗口的右上区域设置各部件的执行时间（时钟周期数），如图A.6.2所示。

       图A.6.2 设置功能部件时间

其中“复位”的作用是使所有设置恢复为默认值。

2.       执行

点击“执行”按钮，就进入执行状态。你可以用中间的按钮来控制指令的执行，包括“步进”、“退1步”、“前进5个周期”、“后退5个周期”、“执行到底”、“退出”等。还可以用“go”按钮直接跳转到你所指定的时钟周期。如果想修改被执行的代码，按“退出”按钮，即可回到设置指令和参数页面。

向前执行后，状态表中抹色的字段表示其内容发生了变化。

3.       对比状态表

每一个状态表的右上角外侧都有一个小三角，用鼠标左键点击它，会弹出该表在上一个时钟周期的内容。这是为了让你通过对比来了解哪些内容发生了变化。在弹出表以外的区域再次点击鼠标，就可以将其收回。

4. 各个表的内容

（1）       指令状态表

指令状态表如图A.6.3所示。它列出了各指令什么时候执行到了哪一步。其中的数字表示时钟周期，“~”表示时钟周期期间。例如，图A.6.3中的2~3表示在第2到第3个时钟周期，第一条L.D指令是在“执行”这一步。 
         图A.6.3 指令状态表

其中抹色的区域表示最近一个时钟周期其内容发生了变化。下同。

（2）       再定序缓冲器ROB

ROB如图A.6.4所示。它按队列方式工作，其中各字段的意义如下：

u 标记：用于给出队列的头和尾；

u 项号：给出各项的编号；

u Busy：“忙”标志，指出相应的行是否已占用；

u 指令：给出是什么指令占用该行；

u 目的地：指出结果写到哪里去；

u 值：暂时存放相应指令的计算结果，在该指令被确认时，将被写到目的地。

图A.6.4 再定序缓冲器ROB

（3）       保留站

保留站的内容如图A.6.5所示。

             图A.6.5 保留站

其中各字段的名称和意义与图A.5.4中的相同。不过，这里增加了一个字段：目的地。它指出相应部件的运算结果要暂时存放到ROB的第几号单元。

（4）       Load缓冲器

Load缓冲器的内容如图A.6.6所示。它按队列方式工作，每次处理新的访存都是从队列头部取走一条。

         图A.6.6  Load缓冲器

    该缓冲器各字段的意义如下：

u 名称：相应单元的名称；

u Busy：“忙”标志，为“Yes”表示已被占用；

u 地址：访存的有效地址；

u 目的地：指出从存储器读来的数据要暂时存放到ROB的第几号单元；

u 值：存放从存储器读来的数据。

（5）       寄存器

寄存器的内容如图A.6.7所示。

图A.6.7 寄存器的内容

该缓冲器各字段的意义如下：

u Busy：“忙”标志，为“Yes”表示将有指令要对该寄存器写入数据；

u ROB项号：指出它在等哪个ROB项的数据。当那个ROB项中的指令被确认且其值已经就绪时，那个数据将被写入该寄存器；

u 值：寄存器的值。

当上述表中的内容写不下时，模拟器会采用缩写的方法。这时，在屏幕上面中间的区域中会显示缩写及其值。