[컴퓨터구조] Hazard

Hazard: 특정한 이유로 다음 clock cycle에 다음 명령어가 실행되지 않는 상황

Hazard의 3가지 종류

1. Structual Hazard
2. Data Hazard
3. Control Hazard
   -> 모든 Hazard는 waiting으로 해결된다. (stall)

1. Structural Hazard

• 원인: hardware issue, 자원은 하나인데 여러 명령이 동시에 수행되려고 할 때 발생
  ex) memory가 하나인데 한 명령어는 instruction fetch를 위해서, 다른 명령어는 data fetch를 위해서 memory에 접근할 때 hazard 발생
• 해결책: hardware resource를 추가한다.(메모리를 data용, instruction용 두 개를 datapath에 추가한다)

2. Data Hazard

• 원인: 아직 pipeline 명령어가 끝나지 않은 register에 접근하여 명령어를 실행하려고 할 때

add $1, $2, $3
sub $4, $1, $5

add가 $2+$3의 결과를 $1에 저장하기 전에 sub 명령어는 $1 레지스터를 사용해 버린다. 결과의 값이 저장되기 전에 레지스터를 읽으려고 하면 data hazard가 발생한다.(= 두 개의 인접 명령어에 data dependency가 있다)

• 해결책

1) forwarding
: write 하기 전에 write 내용이 계산되면 다음 명령어로 미리 받아온다.

add $1, $2, $3
sub $4, $1, $5

add가 $1 레지스터에 데이터를 write 하기 위해 EX 단계에서 write할 값을 계산한다. 이때, add의 WB까지 기다릴 필요 없이 add의 EX 단계에서 sub의 EX 단계로 $1 레지스터 값을 input 값으로 가져오면 된다.

lw $1, 32($6)
sub $4, $1, $5

lw가 $1 레지스터에 데이터를 저장하기 위해, MEM 단계에서 write할 값을 memory에서 가져온다. 이때, lw의 WB까지 기다릴 필요 없이 add의 MEM 단계에서 sub의 EX 단계로 $1 레지스터 값을 input 값으로 가져오면 된다.
-> stall 1번 필요(EX input 결정을 위한 추가 mux 필요, datapath 수정 필요)

2) stall(load-use data hazard의 경우)
: 앞의 명령어가 데이터를 write할 때까지, register update를 중지한다.

lw $1, 32($6)
sub $4, $1, $5

lw 명령어는 MEM에서 $1이 결정되기 때문에 stall을 써야 한다. lw가 $1 레지스터에 데이터를 write할 때까지, sub는 stall을 넣어 아무것도 하지 않은 채 기다린다.

3. Control Hazard

• 원인: beq 혹은 j 명령어 등 분기 명령어를 통해 명령어를 건너뛰어버리면 PC 값이 변해버리고, 중간에 있는 명령어를 실행하지 않는다.
  ex) pipeline에 의해서 beq 다음의 명령어를 실행해야 하는데 sub로 넘어가 버린 상황

30 add $1, $2, $3
34 beq $4, $10, 7 (target address = 34+4+28 = 66
.
.
.
66 sub $11, $22, $2

bracnh 계열 명령어는 EX에서 계산을 해야 jump할지 말지 판단한다.

• 해결책

1) stall
-문제 해결까지 일시 중지

2) optimized branch procesion
(1) branch가 됐는지 안 됐는지 빨리 판단하기
(2) branch할 주소를 빠르게 계산하기
-원래 MEM stage에서 branch prediction을 위한 PC 값이 정해진다.
-> next PC 값을 빠르게 결정함으로써 flush instruction 감소

• dynamic bracnch prediction
  1) 1 bit prediction
  : branch가 일어나면 taken으로, branch가 일어나지 않으면 not-taken으로 유동적으로 이동한다.
  2) 2 bit prediction
  : branch가 2번 일어나야 taken으로 배팅되고, 2번 실패한 경우에는 not-taken으로 배팅한다.