Scoreboarding

1. 개요

1.1. Scoreboard의 구성

• 명령어 상태(Instruction status) : 처리하고 있는 명령어가 파이프라인의 어느 단계에 있는지에 대한 정보.
• 기능 단위 상태(Functional Unit status) : 각 기능 단위가 어떤 상태인지를 나타내는 정보. 주요 정보는 다음과 같다.
• Busy : 이 기능 단위가 현재 사용 중인지의 여부를 표시하는 플래그.
• Op : Operation. 현재 기능 단위에서 처리하고 있는 연산.
• Fi : 이 기능 단위에서 현재 계산을 다 수행하면 값을 써야 할 목적지 레지스터의 번호
• Fj, Fk, ... : 현재 계산을 처리한 데 필요한 source 레지스터들의 번호.
• Qj, Qk, ... : 계산에 필요한 값을 받아 올 기능 단위에 대한 정보. 이 정보는 지금 기능 단위가 처리하고 있는 명령어가 읽어야 할 명령어의 처리가 아직 진행 중일 경우에 필요하다.
• Rj, Rk, ... : 각각 Fj, Fk, ... 의 값이 준비되었으나, 아직 현재 기능 단위가 읽지 않았음을 표시하는 플래그이다. 이는 현재 기능 단위가 읽기도 전에 다른 기능 단위가 레지스터에 있는 값을 덮어쓰지 않도록 하는 역할을 하여 WAR 위험을 해결한다.
• 레지스터 결과 상태(Register result status) : 레지스터마다, 만약 해당 레지스터에 쓰는 명령어가 처리 중이라면 그것이 어떤 기능 단위에서 값을 받아와야 하는지에 대한 정보.

1.2. 파이프라인 단계

• 발행(Issue) : 우선, 명령어를 해석하고, 만약 이 명령어를 발행한 후에 앞선 명령어들과의 구조 위험(structural hazard)이 있는지[2] 확인한 후, 있다면 발행하지 않고 그렇지 않을 때까지 기다린다. 이 구조 위험 확인 때문에 명령어가 발행 단계를 거치는 것은 순차적이어야 한다. 또한 WAW 위험을 해결하기 위해, 이 명령어가 쓸 곳에 쓰는 다른 명령어가 아직 처리 중이라면 발행하지 않는다.
• 명령어를 발행하게 되면, 사용하는 기능 단위에 해당하는 Scoreboard의 Busy를 Yes로 표시하고, Op, Fi, Fj, Fk에 대한 정보를 채운다. 레지스터 결과 상태를 확인하여, 이 명령어가 읽어야 할 각 레지스터의 값이 어떤 다른 기능 단위에서 계산하고 있다면 그에 대한 정보를 대응되는 Qj, Qk, ...에 채우고 대응되는 Rj, Rk, ... 는 No로 설정한다. 아니라면 해당 레지스터에 값이 준비되어 있고 아직 기능 단위가 읽지 않았으므로 대응되는 Rj, Rk, ...는 Yes로 설정한다.
• 피연산자 읽기(Read Operand) : 피연산자들을 읽기 전에 RAW 위험을 해결하기 위해 피연산자들이 모두 준비될 때까지, 즉 모든 Rj, Rk, ... 가 Yes로 설정될 때까지 기다려야 한다.
• 피연산자들이 모두 준비되었으면, 레지스터들은 피연산자들을 읽고 Rj, Rk, ...는 모두 No로 설정한다.
• 실행(Execute) : 기능 단위가 연산을 수행한다. 이에 소요되는 시간은 연산의 종류에 따라 수 사이클에서 수십 사이클까지도 소요될 수 있다.
• 되쓰기(Write Back) : 결과를 레지스터에 쓰기 전에 혹시 쓰는 동작이 다른 곳에 필요한 결과를 덮어쓰는지를 확인하고, 만약 그렇다면 그렇지 않을 때까지 기다린다. 이로써 WAR 위험이 해결된다.
• 이 기능 단위의 결과가 필요한 기능 단위마다, 해당하는 Rj, Rk, ...를 Yes로 설정해 줌으로써 결과가 준비되었다는 걸 알려야 한다. 또한 레지스터에 값을 쓰면서 레지스터 결과 상태 역시 비워야 한다. 마지막으로, 이 기능 단위의 Busy를 No로 표시함으로써 다른 명령어들이 이 기능 단위를 사용할 수 있도록 한다.

2. 예시

LOAD F6, 34+R2
LOAD F2, 45+R3
MUL F0, F2, F4
SUB F8, F6, F2
DIV F10, F0, F6
ADD F6, F8, F2

2.1. cycle 1

2.2. cycle 2

2.3. cycle 3

2.4. cycle 4

2.5. cycle 5

2.6. cycle 6

2.7. cycle 7

2.8. cycle 8

2.9. cycle 9

2.10. cycle 10

2.11. cycle 11

2.12. cycle 12

2.13. cycle 13

2.14. cycle 14

2.15. cycle 15

2.16. cycle 16

2.17. cycle 17

2.18. cycle 18

2.19. cycle 19

2.20. cycle 20

2.21. cycle 21

2.22. cycle 22