Skalare Prozessoren - Moderne Prozessorarchitekturen: Prinzipien und ihre Realisierungen - page 96

Konfliktlösung durch Bypässe (bypassing, forwarding)

Bei der Verwendung von Bypässen macht man sich zu nutze, dass ein Ergebnis
i.Allg. zwar erst in der letzten Fließbandstufe in den Registerspeicher geschrieben
wird, es aber meist schon am Ende der Execute-Stufe verfügbar ist und daher über
spezielle Pfade (den Bypässen) zugänglich gemacht werden kann. Die notwendigen
Erweiterungen sind in Bild 2.22 dargestellt. Bevor man die Operanden eines Befehls
aus dem Registerspeicher liest, wird deren Verfügbarkeit geprüft, indem sie mit den
Zieladressen der vorangehenden und noch im Fließband befindlichen Befehle ver-
glichen werden. Die Operandenadressen befinden sich hierbei im Instruktionsregis-
ter IR, die Zieladressen der beiden vorangehenden Befehle in den Fließbandregis-
tern ER und WBR.

2. Stufe
(Decode)

3. Stufe
(Execute)

4. Stufe
(Write Back)

c

Register-
speicher

ALU

d

a

Befehlsdecoder

b

and... sub r3, r4, r1 add r1 , r2, r3

Bild 2.22. Die hinteren drei Fließbandstufen eines einfachen Prozessors mit vierstufigem Fließ-
band, der Datenflusskonflikte über Bypässe löst

Um z.B. den Konflikt in der in Bild 2.21a dargestellten Befehlsfolge zu erkennen,
wird über die mit a markierte Verbindung die Zieladresse der Addition in der Exe-
cute-Stufe mit der Operandenadresse der Subtraktion in der Decode-Stufe vergli-
chen. Den auftretenden Konflikt meldet man an den Befehlsdecoder, der über das
mit b markierte Steuersignal den Multiplexer so schaltet, dass das am Ausgang der
ALU verfügbare Additionsergebnis über die mit c markierte Verbindung weiterge-
reicht wird. Der zweite Operand ist hiervon nicht betroffen. Er lässt sich wie
gewohnt über die mit d markierte Verbindung aus dem Registerspeicher lesen und
auf das Fließbandregister ER durchschalten.

Mit dem nächsten Taktschritt beginnt die verzögerungsfreie Ausführung der Sub-
traktion (Bild 2.21a). Der nachrückende and-Befehl kann in derselben Weise ohne
Zeitverlust ausgeführt werden, da das im Fließbandregister WBR gespeicherte
Additionsergebnis ebenfalls über Bypässe zugreifbar ist. Zur Identifikation dieses
Datenflusskonflikts wird natürlich nicht die im Fließbandregister ER, sondern die
im Fließbandregister WBR gehaltene Zieladressen mit den Operandenadressen ver-
glichen.