Skalare Prozessoren - Moderne Prozessorarchitekturen: Prinzipien und ihre Realisierungen - page 97

Damit Bypässe zur Lösung von Datenflusskonflikten verwendet werden können,
muss das jeweils benötigte Ergebnis in der Registertransferschaltung eines Prozes-
sors auch zugänglich sein. Dies ist jedoch nicht immer der Fall, z.B. dann nicht,
wenn nach dem Lesen der Operanden ein Endergebnis stückweise über mehrere
Fließbandstufen hinweg erzeugt wird (wie z.B. bei Lesezugriffen auf einen in Fließ-
bandtechnik arbeitenden Datencache). In einigen Fällen ist es jedoch möglich, Teil-
ergebnisse über Bypässe zurückzuführen und abhängige Operationen zu starten,
ohne das vollständige Endergebnis zu benötigen.

Das Prinzip soll anhand der Registertransferschaltungen zur Addition von zwei Bit
breiten Dualzahlen in Bild 2.23a und b beschrieben werden. Teilbild a stellt die
Registertransferschaltung eines herkömmlichen einstufig in Fließbandtechnik arbei-
tenden Addierers dar. Die Operanden in den Fließbandregistern OP1 und OP2 wer-
den bitweise entsprechend ihrer Wertigkeiten mit Hilfe sog. Volladdierer (VA) ver-
knüpft, wobei ein Übertrag aus der unteren in die obere Stelle mit Hilfe der mit
einem a markierten Verbindung weitergereicht wird. Falls die gesamte Addierer-
kette einen Übertrag erzeugt, wird dies am Ausgang C (carry) angezeigt. Es kann
bei Bedarf ausgewertet werden, um z.B. Zahlenbereichsüberschreitungen zu erken-
nen. Die Verbindungen b und c bilden zusammengenommen den Bypass, über den
sich das Ergebnis an den Ausgängen der beiden Volladdierer auf den Eingang des
Addierers zurückführen lässt.

c

0 0

d

e

b

A

A

VA VA

B B

VA VA

a

C C

Bypass-
steuerung

Bypass-
steuerung

b

a

Bild 2.23. Einfache in Fließbandtechnik arbeitende, aus zwei einzelnen Volladdierern VA beste-
hende Addierer, in denen der erste Operand über einen Bypass geführt werden kann (Bypässe
jeweils grau unterlegt): a Einstufig mit herkömmlichem Bypass. b Zweistufig mit versetztem
Bypass

In Bild 2.23b ist ein 2-Bit-Addierer mit zweistufigem Fließband dargestellt. Das
Fließbandregister PR (pipeline register) teilt den in Bild 2.23a durch eine dicke
Linie hervorgehobenen kritischen Pfad an der mit a markierten Verbindung zwi-
schen den beiden Volladdierern. Wegen des nun deutlich kürzeren kritischen Pfads
(die mit d markierte dicke Linie), kann der in Bild 2.23b dargestellte Addierer mit
einer höheren Taktfrequenz betrieben werden als der einstufig arbeitende Addierer.
Dafür steht das vollständige Additionsergebnis jedoch erst zur Verfügung, nachdem
beide Stufen durchlaufen wurden.