CPU面试题Q7：如何处理内存中的数据依赖？

要处理CPU乱序调度中的内存数据依赖，通常涉及两个步骤：

1.计算内存访问的有效地址

2.检查所有未处理完的load/store的地址，并确保冲突的load/store不能乱序执行

A Load / Store Processing Model

load/store处理模型，如下图所示。

load和store指令首先发给reservation station ，然后发送到load单元或store 单元。

在store单元中，store 指令首先经过有效的地址计算和地址转换，然后驻留在“Finished ”store 缓冲区中。 “completed ”store 缓冲区中的store 指令最终会提交到内存中。

同样，load指令首先通过地址生成和翻译，并最终读取数据cache 以从内存中获取数据。

我们可以做出的一个假设是，store 指令需要按程序顺序完成，因此WAW数据依赖性是默认强制执行的。从本质上讲，处理数据依赖项可以简化为处理load/store 依赖项（RAW和WAR）。

Handling Data Dependencies with In-order Load / Store Dispatch

最直接的解决方案是按程序顺序向公共reservation station 发出load/store 指令，并从reservation station 按FIFO顺序发送。只有当store 缓冲区为空时，才能发送load。然而，load指令的延迟很长，不可预测。尽早执行load至关重要。

改进的方案是支持不同地址的load bypass ，如果store 缓冲区中有地址匹配，则stall load指令。因此，不同地址的load可以继续进行。

为了进一步加快load。如果存在地址匹配，但store buffer数据不可用，则load stall；如果存在地址匹配和store 数据可用，则将数据直接forward 到load。由于load直接从store buffer接收数据，因此可以尽早执行load指令，并避免数据cache 访问。

Handling Data Dependencies with Out-of-order Load / Store Dispatch

如果我们乱序调度load/store，可以在store之前发放load。由于无法检查地址匹配，因此存在潜在的RAW依赖关系。

与store指令类似，如果从reservation station 发送的store在“finished ”load buffer中发现匹配的load，则应刷新所有指令。

这种放松也引入了可能的WAR数据依赖性。load地址可能与后续store的地址匹配，因此会触发不正确的数据forward 。一个简单的解决方案是stall 匹配地址的“finished ” store的load，仅具有匹配地址的“completed ”store上数据forward 给load。