[CA] Chapter 10: Processor(5-3): Hazard

⚙ Computer Architecture 공부

Data Hazard

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📚Data Hazard: 파이프라인에서 실행되는 명령어들 사이에 데이터 의존성이 있을 때 발생하는 문제

• 명령어의 결과가 다음 명령어의 입력으로 사용되는데, 아직 결과가 준비되지 않았을 때 발생

예시 시나리오

설정

• register $2의 초기값: 10
• Instructions:
  1. sub $2, $1, $3 - $2에 결과 저장 (10 → -20)
  2. and $12, $2, $5 - $2 값을 읽음
  3. or $13, $6, $2 - $2 값을 읽음
  4. add $14, $2, $2 - $2 값을 두 번 읽음
  5. sw $15, 100($2) - $2 값을 주소로 사용

시나리오 1: sub $2, $1, $3

• CC5에서 WB 단계를 통해 $2에 -20을 기록
• CC1~CC4까지는 $2 = 10 유지
• CC5부터 $2 = -20으로 변경

시나리오 2: and $12, $2, $5 (데이터 해저드 발생)

• CC3에서 ID 단계에서 $2 값을 읽어야 함
• 하지만 이때 $2는 아직 10 (구값)
• 실제로 필요한 값은 -20 (신값)
• 해저드 발생!

시나리오 3: or $13, $6, $2 (데이터 해저드 발생)

• CC4에서 ID 단계에서 $2 값을 읽어야 함
• 여전히 $2는 10 (구값)
• 해저드 발생!

시나리오 4: add $14, $2, $2 (해저드 없음)

• CC5에서 ID 단계에서 $2 값을 읽음
• 이때는 정확히 CC5에서 $2에 -20이 기록되는 시점
• 같은 클록 사이클 내에서 앞부분에 쓰고 뒷부분에 읽으므로 해저드 없음

Data Harzard를 해결하기 위한 방법 존재!

Data Forwarding

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📚Data Forwarding: 레지스터 파일을 거치지 않고 직접 파이프라인 단계 간에 데이터를 전달하여 데이터 해저드를 해결하는 하드웨어 기법

1. 포워딩 타이밍
   • CC3에서 sub: EX 단계에서 ALU가 -20 계산 완료
   • CC4에서 and: EX 단계에서 $2 값이 필요 → EX/MEM 레지스터에서 포워딩
   • CC5에서 or: EX 단계에서 $2 값이 필요 → MEM/WB 레지스터에서 포워딩
2. 포워딩 경로
   • EX-to-EX 포워딩: EX/MEM 레지스터 → ALU 입력
   • MEM-to-EX 포워딩: MEM/WB 레지스터 → ALU 입력

Data Detection

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📚Data Detection: 언제 포워딩이 필요한지 자동으로 감지하여 포워딩 경로를 활성화

• data harzar 감지 조건

4 Hazard case

1. EX/MEM.RegisterRd = ID/EX.RegisterRs
   • 1번째와 2번째 명령어 사이, 2번째 명령어의 첫 번째 소스
2. EX/MEM.RegisterRd = ID/EX.RegisterRt
   • 1번째와 2번째 명령어 간, 2번째 명령어의 두 번째 소스
3. MEM/WB.RegisterRd = ID/EX.RegisterRs
   • 1번째와 3번째 명령어 간, 3번째 명령어의 첫 번째 소스
4. MEM/WB.RegisterRd = ID/EX.RegisterRt
   • 1번째와 3번째 명령어 간, 3번째 명령어의 두 번째 소스

Implementation of Data Forwarding

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• forwarding unit: 4개의 레지스터 번호를 입력받음
  • EX/MEM.RegisterRd: 1단계 앞 명령어의 목적지 레지스터
  • MEM/WB.RegisterRd: 2단계 앞 명령어의 목적지 레지스터
  • ID/EX.RegisterRs: 현재 명령어의 첫 번째 소스 레지스터
  • ID/EX.RegisterRt: 현재 명령어의 두 번째 소스 레지스터
• 멀티플렉서: 각 ALU 입력마다 3가지 소스 중에서 선택
  1. 레지스터 파일 출력(기본값)
  2. EX/MEM 레지스터 (1단계 앞 결과)
  3. MEM/WB 레지스터 (2단계 앞 결과)
• 2-bit signal
  • 00: 해저드 없음 → 레지스터 파일에서 읽기
  • 10: EX 해저드 → EX/MEM에서 포워딩
  • 01: MEM 해저드 → MEM/WB에서 포워딩

✅실제 동작 예시:

add $1, $2, $3  # CC1
sub $4, $1, $5  # CC2

CC4 시점에서:

• EX/MEM.RegisterRd = $1 (add 명령어)
• ID/EX.RegisterRs = $1 (sub 명령어)
• 포워딩 유닛 판단: EX/MEM.RegisterRd == ID/EX.RegisterRs
• 결과: ForwardA = 10
• 멀티플렉서: EX/MEM 레지스터의 값을 ALU 첫 번째 입력으로 선택