Tomasulo算法详细解释
Tomasulo算法是一种用于处理器中的动态调度技术，它允许指令在保持数据依赖性的同时进行乱序执行。这种算法由IBM的Robert Tomasulo在1967年首次实现于IBM 360/91处理器中。
算法核心思想
Tomasulo算法的核心在于使用一组称为“保留站”（Reservation Stations, RS）的结构来跟踪指令的状态，并通过“公共数据总线”（Common Data Bus, CDB）将执行结果广播给所有需要的硬件单元。算法通过寄存器重命名消除了WAR（Write After Read）和WAW（Write After Write）相关的危险，并利用转发（Forwarding）机制来解决RAW（Read After Write）相关的危险。
关键组件
保留站（Reservation Stations）
保留站是Tomasulo算法中用于缓存指令的结构，它们等待操作数（operands）变得可用，以便可以执行指令。每个保留站可以包含以下信息：
- 操作类型（Op）
- 操作数的值（Vj, Vk）
- 操作数是否就绪的标志（Ready flags）
- 功能单元的标识（FU）
- 寄存器结果状态（Register result status）
公共数据总线（Common Data Bus）
CDB是连接功能单元和保留站的总线，用于广播完成指令的结果。CDB上的信息包括数据和来源标识，这样所有监听CDB的保留站和寄存器都可以根据来源标识获取数据。
寄存器重命名
Tomasulo算法通过寄存器重命名来消除WAR和WAW相关的危险。每次写入架构寄存器时，都会分配一个物理寄存器，直到该架构寄存器再次被写入。这种方法保留了RAW依赖性，但简化了硬件设计。
算法流程
- 发射（Issue）：从操作队列中获取指令，如果保留站空闲且没有结构性危险，记分牌将发出指令并将操作数重命名。
- 执行（Execution）：当操作数就绪时执行操作；如果没有就绪，则监视CDB以获取结果。
- 写回（Write-back）：在CDB上向所有等待的单元广播结果；标记保留站为可用。
优势与应用
Tomasulo算法的优势在于它能够动态调度指令，包括加载/存储操作，而不需要静态调度所需的复杂编译器支持。它通过增加可用于保存寄存器值的位置、动态地基于指令实际完成和操作数可用性做出调度决策，以及完全消除内存引用的歧义，从而更有效地利用并行性，提高指令吞吐量和功能单元利用率。
