Lec 17 实现流水线：模块接口 & 并发
Lec 15/Lec 16 从“数据通路”角度讲了流水线与冒险；Lec 21 开始用模块实现流水线处理器。但一旦多个流水级在同一周期都活跃，我们就必须正面回答一个问题：多个原子规则如何在一个周期内并发执行、又保持正确？ 本讲讲清这套并发语义，它是后面 Lec 23 旁路/EHR 的基础。
Outline
- 用模块接口连接流水级
- 守卫原子动作（rule）回顾
- 一次一规则（one-rule-at-a-time）语义
- 并发执行与规则冲突
- 普通寄存器的同周期通信障碍
- 模块化细化：换接口不改其它阶段
用模块接口连接流水级
流水线处理器 = 若干阶段模块 + 连接它们的状态元件：
- 阶段之间用 FIFO 传递（如 fetch→decode 的
f2d、decode→execute 的d2e……），靠enq/deq/first的守卫握手（见 Lec 7 弹性流水线）； - 共享状态：寄存器堆（decode 读、writeback 写）、PC（fetch 读写、execute 重定向）、指令/数据存储器。
每个阶段写成一条 rule：满足守卫（输入 FIFO 非空、输出 FIFO 不满）时触发，做本阶段的事、把结果 enq 给下游。因为阶段只通过接口通信，整张流水线就是一组并发活动的模块。
守卫原子动作（rule）回顾
回顾 Lec 8：rule 是守卫原子动作（guarded atomic action）。
- 原子（atomic）：一条 rule 内对各状态的更新要么全发生、要么全不发生；
- 读看旧值、写到周期末生效：rule 内读到的是“本周期开始时”的状态，
<=的新值下周期才可见。
一次一规则（one-rule-at-a-time）语义
理解并发的“黄金模型”：系统的行为，等价于每个周期只挑一条就绪的 rule、原子地执行，如此一条接一条。这给了我们一个简单、可推理的语义——无论编译器实际让多少条 rule 并行，最终效果必须等价于某个一次一条的串行顺序。
但“每周期只跑一条 rule”太慢（5 级流水线岂不退化成 5 周期一条指令？）。所以实际实现里，编译器会让多条互不冲突的 rule 在同一周期并发触发，只要总效果仍等价于某个串行顺序即可。
并发执行与规则冲突
两条 rule 能否同周期并发，取决于它们对共享状态的访问是否冲突（conflict）：
- 都只读同一状态：不冲突，可并发；
- 一读一写、或都写同一状态：冲突，不能无条件同周期执行——否则“谁的值算数”就不确定了。
冲突的两条 rule 同周期最多只能触发一条，另一条被推迟（相当于 Lec 16 的 stall）。冲突越多 → 能并发的 rule 越少 → 吞吐越低。 因此实现高吞吐流水线的关键，是尽量减少阶段间的冲突、或让冲突的访问能在一个周期内“有序地”共存。
每对方法/规则之间的关系可以用冲突矩阵刻画（CF=不冲突、C=冲突、
/ =有先后次序），详见 Lec 23。
普通寄存器的同周期通信障碍
这正是问题的核心。用普通寄存器作共享状态时，无法在同一个周期（同一原子动作内）完成下列通信：
- 两个方法之间；
- 两条规则之间；
- 一条规则与一个方法之间。
为什么？ 寄存器是时钟边沿触发的：本周期写入的值要到下个周期才出现在输出端。所以生产者 rule 这周期写、消费者 rule 这周期读——消费者只能读到旧值，拿不到“刚算出来的新值”。
后果：流水线里“前一条指令刚算出结果、后一条指令本周期就想用”的旁路需求，用普通寄存器实现不了，只能 stall。要在同一周期内先写再读、且读到新值，就需要一种新原语——EHR（Ephemeral History Register），它“记得本周期已经写过什么”，从而支持同周期通信与旁路。EHR 的语义、冲突矩阵与用它构建的并发/流水线/旁路 FIFO，见 Lec 23。
模块化细化：换接口不改其它阶段
模块接口带来的最大好处是模块化细化（modular refinement）：因为阶段之间只通过 FIFO 的 enq/deq 守卫接口通信，我们可以只替换某个 FIFO 的实现来改变并发行为，而不动其它阶段的代码：
- 用普通 FIFO → 入队的值同周期内出队看不到，阶段间完全解耦（但可能要多停一拍）；
- 用流水线 FIFO（pipeline FIFO） → 满时若同周期有
deq腾位，则允许enq； - 用旁路 FIFO（bypass FIFO） → 空时若同周期有
enq，则允许deq，新值直接“绕过”存储送到出队口——这正是旁路在模块层面的体现。
换言之，“stall 还是 bypass”可以归结为“给这条流水线用哪种 FIFO”，而接口不变保证了正确性不被破坏。这就是用接口 + 并发语义实现流水线的威力：性能可调、正确性可控。（三种 EHR-FIFO 的细节见 Lec 23。）