上一章建立了原始的OpenMIPS五级流水线结构，但是只实现了一条ori指令，从本章开始，将逐步完善。本章首先讨论了流水线数据相关问题，然后修改OpenMIPS以解决问题。接着对逻辑、移位操作和空指令的指令格式、用法进行了一一说明。
5.1流水线数据相关问题
流水线中经常有一些被称为“相关”的情况发生，它使得指令序列中下一条指令无法按照设计周期执行，这些“相关”会降低流水线的性能，流水线中的相关分为以下三种类型。
- 结构相关：在指令执行过程中，由于硬件资源满足不了指令执行的要求，发生硬件资源冲突而产生的相关。比如：指令和数据都共享一个存储器，，在某个时钟周期，流水线既要完成某条指令对存储器的数据的访问操作，又要完成后续的取指令操作，这样就会发生存储器访问冲突，产生结构相关。
- 数据相关：指的是在流水线中执行的几条指令中，一条指令依赖于前面的指令的执行结果
- 控制相关：流水线中的分支指令或者其他需要改写PC的指令造成的相关。
本章重点讨论数据相关的问题。流水线数据相关又分为三种情况:RAW、WAR、WAW.
- RAW:即Read After Write，假设指令j是在指令i后面执行的指令，RAW表示指令i将数据写入寄存器后，指令j才能从这个寄存器读取数据。如果指令j在指令i写入寄存器前尝试读出该寄存器的内容，得到不正确的数据。
- WAR：即Write After Read，假设指令j是在指令i后面指令的指令，WAR表示指令i读出数据后，指令j才能写这个寄存器。如果指令j在指令i读取数据前就写入该寄存器，将使得指令i读出的数据不正确。
- WAW：即Write After Write，假设指令j是在指令i后面执行的指令，WAW表示指令i将数据写入寄存器后，指令j才能将数据写入这个寄存器。如果指令j在治疗i之前写入该寄存器，将使得该寄存器的值不是最新值。
从ori指令的实现过程可以知道，只有在流水线的回写阶段才会写寄存器（实际上，其他指令也是一样的，在后面实现其余指令时，会更清楚），因此不存在WAW相关，又因为只能在流水线译码阶段读寄存器、回写阶段写寄存器，不存在WAR相关，所以在OpenMIPS流水线只存在RAW相关。RAW相关有三种情况。
- 相邻指令间存在数据相关
考虑如下代码
奥，对啦还记得ori（上面的图片上是啥意思吗），是把$0和0x1100（零扩展后）执行逻辑“或”运算。存在寄存器$1内哦，要记得温故而知新~~
第一条ori指令将会写寄存器$1，随后的第2条ori指令需要读出$1的数据，但是第1条ori指令在回写阶段才会将其运算结果写入$1，而第二条ori指令在译码阶段就要读取$1的值，此时第一条ori指令还处于执行阶段，所以得到的必然不是第一条ori指令计算得出的结果，这种被称为相邻指令间存在数据相关，也可称为流水线译码、执行阶段存在数据相关。
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相隔1条指令间存在数据相关
考虑如下代码
第一条ori指令将写寄存器$1,第三条ori指令在译码阶段需要读取寄存器$1，此时第一条ori指令还在访存阶段，所以得到的必然也不是正确的值。这种情况可以称为相隔1条指令的指令间存在数据相关，针对OpenMIPS的具体情况，也可以称为流水线译码、访存阶段存在数据相关。
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相隔2条指令的指令间存在数据相关
考虑如下代码
第一条ori指令将写寄存器$1，第四条ori指令在译码阶段需要读取寄存器$1，此时第一条指令处在回写阶段，在回写阶段最后的时钟上升沿才会将运算结果写入$1，所以第四条ori指令得到的不是正确的寄存器$1的值，这种情况可以称为相隔2条指令间存在数据相关，针对OpenMIPS的具体情况，也可称为流水线译码、回写阶段存在数据相关。
其中相隔2条指令存在数据相关（即流水线译码、回写阶段存在数据相关）这种情况，在第四章设计的Regfile模块中得到了解决。代码如下：
在读操作中有一个判断，如果要读取的寄存器是在下一个时钟上升沿要写入的寄存器，那么就要将写入的数据直接作为结果输出，如此解决了相隔2条存在数据相关的情况。
对于相邻指令间存在数据相关、相隔1条指令存在数据相关这两种情况，有三种解决方案
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插入暂停周期：当检测到相关时，在流水线中插入一些暂停周期。
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编译器调度：编译器检测到相关后，可以改变部分指令的执行顺序。
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数据前推：将计算结果从其产生处直接送到需要处或所有需要的功能单元处，避免流水线暂停。如图所示，新的$1的值实际上在第一条ori指令的执行阶段已经算出来了，可以直接将其值从第一条ori指令的执行阶段送到第二条ori指令的译码阶段，从而使得第2条ori指令在译码阶段得到$1的新值，也可以将该值从第一条ori指令的访存阶段送入到第3条指令的译码阶段，从而使得第三条ori指令在译码阶段也可以得到新的$1的新值。
此方法的前提是新的寄存器的值可以在执行阶段计算出来，如果是加载指令，就不满足，因为加载指令在访存阶段才能获得最终结果，这是一种load相关，后面会考虑到，本章不考虑。
5.2 OpenMIPS对数据相关问题的解决措施
OpenMIPS处理器采用数据前推的方法来解决流水线数据相关问题，通过补充原始数据流图，添加部分信号可以完成数据前推的工作，如图所示，主要是将执行阶段的结果、访存阶段的结果前推到译码阶段，参与译码阶段选择运算源操作数的过程。
为实现数据前推而对OpenMIPS系统结构所作的修改，具体有两个方面。
为此，译码阶段的ID模块要增加如表所示的接口。
除了修改译码阶段ID模块的代码，还要修改顶层模块OpenMIPS对应的代码，增加逻辑关系。
（书上的代码是一半一半那种，为了保持整齐度，我把代码最后全部整理出来给各位下载）
5.3测试数据相关问题的解决效果
5.4逻辑、移位操作与空指令说明
MIPS32指令集架构中定义的逻辑操作指令有8条：and、andi、or、ori、xor、xori、nor、lui，其中ori指令已经实现了本章要实现其余的7条指令。
MIPS32指令集架构中定义符任移位操作指令有6条：sll,sllv,sra,srav,srl,srlv.
MIPS32指令集架构中定义的空指令有2条：nop、ssnop,其中ssnop是一种特殊类型的空操作，在每个周期发射多条指令的CPU中，使用ssnop指令可以确保单独占用一个发射周期。OpenMIPS设计为标量处理器，也就是每个周期发射一条指令，所以ssnop的作用与nop相同，可以按照nop的指令的处理方式来处理ssnop指令。
另外，MIPS32指令集架构中还定义了sync、pref这两条指令，其中sync指令用于保证加载、存储操作的顺序，对于OpenMIPS而言，是严格按照指令顺序执行的，加载、存储操作也是按照顺序进行的，所以可以将sync指令当作nop指令处理，在这里归纳其为空指令。pref指令用于缓存预取，OpenMIPS没有实现存储，所以也可以将pref指令当作nop指令处理，此处也可以归纳为空指令。
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and、or、xor、nor
这四条指令的格式如图所示，这四条指令都是R类型指令，并且指令码都是6’b000000，也就是MIPS32指令集架构中定义的SPECIAL类，此外，第6-10bit都为0，需要依据指令中第0-5bit功能码的值进一步判断是哪一种指令。
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当功能码是6’b100100时，表示and指令，逻辑“与”运算。
指令用法为: and rd,rs,rt。
指令作用为：rd<-rs AND rt，将地址为rs的通用寄存器的值与地址为rt的通用寄存器的值进行逻辑“与”运算，运算结果保存到地址为rd的通用寄存器中。 -
当功能码是6’b100101时，表示or指令，逻辑“或”运算。
指令用法为: or rd,rs,rt。
指令作用为：rd<-rs OR rt，将地址为rs的通用寄存器的值与地址为rt的通用寄存器的值进行逻辑“或”运算，运算结果保存到地址为rd的通用寄存器中。 -
当功能码是6’b100110时，表示xor指令，异或运算。
指令用法为: xor rd,rs,rt。
指令作用为：rd<-rsXOR rt，将地址为rs的通用寄存器的值与地址为rt的通用寄存器的值进行逻辑“异或”运算，运算结果保存到地址为rd的通用寄存器中。 -
当功能码是6’b100111时，表示是nor指令，或非运算。
指令用法为: nor rd,rs,rt。
指令作用为：rd<-rs NOR rt，将地址为rs的通用寄存器的值与地址为rt的通用寄存器的值进行逻辑“或非”运算，运算结果保存到地址为rd的通用寄存器中。
2.andi、xori指令
这两条指令格式如图所示，都是I类型指令，可以依据指令集中第26-31bit指令码的值判断是哪一种指令。
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当指令码是6’b001100,表示是andi指令，逻辑“与”运算。
指令用法为：andi rt,rs,immediate。
指令作用为：rt<-rs AND zero_extended(immediate）,将地址为rs的通用寄存器的值与指令中立即数进行零扩展后的值进行逻辑“与”运算，运算结果保存到地址为rt的通用寄存器中。 -
当指令码是6’b001110，表示是xori指令，异或运算。
指令用法为：xori rt,rs,immediate。
指令作用为：rt<-rs XOR zero_extended(immediate）,将地址为rs的通用寄存器的值与指令中立即数进行零扩展后的值进行逻辑“异或”运算，运算结果保存到地址为rt的通用寄存器中。
3.lui指令
lui指令的格式如图所示，从中可以发现luI指令是1类型指令，可以依据指令中第26-31bit指令码的值是否为6’b001111，从而判断是否是lui指令。
指令用法为：lui rt,immediate。
指令作用为：rt<-immediate || 0的16次方，将16bit立即数保存到地址为rt的通用寄存器的高16位。另外，地址为rt的通用寄存器的低16位使用0填充。
4.sll、sllv、sra、srav、srl、srlv指令
这六条指令的格式如图所示，从图中可以发现这六条指令都是R类型指令，并且指令码都是6’b000000，也就是说，都是SPECIAL类，需要依据指令中第0-5bit功能码的值进一步判断是哪种指令。
- 当功能码是6’b000000，表示是sll指令，逻辑左移。
指令用法为：sll rd,rt sa.
指令作用为：rd<-rt<<sa(logic)，将地址为rt的通用寄存器的值向左移sa位，空出来的位置使用0填充，结果保存到地址为rd的通用寄存器中。 - 当功能码是6’b000010，表示是srl指令，逻辑右移。
指令用法为：srl rd,rt sa.
指令作用为：rd<- rt >>sa(logic)，将地址为rt的通用寄存器的值向右移sa位，空出来的位置使用0填充，结果保存到地址为rd的通用寄存器中。 - 当功能码是6’b000011，表示是sra指令，算术右移。
指令用法为：sra rd,rt sa.
指令作用为：rd<- rt >>sa(arithmetic)，将地址为rt的通用寄存器的值向右移sa位，空出来的位置使用rt[31]填充，结果保存到地址为rd的通用寄存器中。 - 当功能码是6’b000100，表示是sllv指令，逻辑左移。
指令用法为：sllv rd,rt sa.
指令作用为：rd<- rt <<rs[4:0] (logic)，将地址为rt的通用寄存器的值向左移位位，空出来的位置使用0填充，结果保存到地址为rd的通用寄存器中。移位位数由地址为rs的寄存器的值第0-4bit确定。 - 当功能码是6’b000110，表示是srlv指令，逻辑右移。
指令用法为：srlv rd,rt sa.
指令作用为：rd<- rt >>rs[4:0] (logic)，将地址为rt的通用寄存器的值向右移位位，空出来的位置使用0填充，结果保存到地址为rd的通用寄存器中。移位位数由地址为rs的寄存器的值第0-4bit确定。 - 当功能码是6’b000111，表示是srav指令，算数右移。
指令用法为：srav rd,rt sa.
指令作用为：rd<- rt >>rs[4:0] (arithmetic)，将地址为rt的通用寄存器的值向右移位位，空出来的位置使用rt[31]填充，结果保存到地址为rd的通用寄存器中。移位位数由地址为rs的寄存器的值第0-4bit确定。
5.nop、ssnop、sync、pref指令
这四条指令的格式如zhiling三条指令都是R类型指令，并且指令码都是6’b000000，也就是说，都是SPECIAL类。
nop,ssnop两条指令的功能码都是6’b000000，与之前介绍的逻辑左移指令sll的功能码相同，这样在译码的时候会不会有冲突：nop指令的二进制码与sll $0,$0,0的二进制码一样，如何处理译码？ssnop指令的二进制码与sll $0,$0,1的二进制码一样，处理器如何译码？
其实两者是等价的，sll指令向$0寄存器保存移位结果，实际不会有任何效果，因为无论向$0写任何数，其值始终为0，所以效果等同于什么都不做，这也正是空指令nop、ssnop的效果。所以nop、ssnop指令不用特意实现，完全可以当作特殊的逻辑左移指令sll。