Pipeline Stall 분석 — Data·Structural·Control Hazard·Forwarding

1
add r0, r1, r2   ; r0 = r1 + r2
2
sub r3, r0, r4   ; r0 사용 — RAW

1
add r0, r1, r2   ; r1 read
2
sub r1, r3, r4   ; r1 write

1
add r0, r1, r2
2
sub r0, r3, r4   ; r0 다시 write

1
ldr r0, [r1]     F D E M W
2
                       ↑ load 결과 = M 단계 끝
3
add r2, r0, r3   F D E       ; E 단계에 r0 필요 — but M 단계 안 끝남
4
                     ─── 1 cycle bubble ───

1
; 회피
2
ldr r0, [r1]
3
add r2, r0, r3   ; ← stall
4

5
; Good
6
ldr r0, [r1]
7
add r4, r5, r6   ; 독립 명령 삽입
8
add r2, r0, r3   ; ← load 결과 사용 시점에 준비됨

1
; 가상 — 단일 memory port 가정
2
ldr r0, [r1]    ; F D E M  ← memory
3
ldr r2, [r3]    ; F D E    ← M 단계에 또 memory 시도 → stall

1
beq r0, r1, label   ; F D E
2
                       ↑ E 단계에 분기 확정
3
nop                 ; F (이미 fetch — 분기 시 flush)
4
nop                 ; F

1
volatile uint32_t a, b, c, d;
2

3
void test_no_stall(void) {
4
    /* 독립 명령 — stall 없음 */
5
    asm volatile (
6
        "add r0, r1, r2 \n"
7
        "add r3, r4, r5 \n"
8
        "add r6, r7, r8 \n"
9
    );
10
}
11

12
void test_raw_chain(void) {
13
    /* RAW chain — forwarding으로 처리 */
14
    asm volatile (
15
        "add r0, r1, r2 \n"
16
        "add r3, r0, r4 \n"   /* r0 의존 */
17
        "add r5, r3, r6 \n"   /* r3 의존 */
18
    );
19
}
20

21
void test_load_use(void) {
22
    asm volatile (
23
        "ldr r0, [%0]    \n"
24
        "add r1, r0, r0  \n"   /* load-use stall 1 cycle */
25
        :: "r"(&a)
26
    );
27
}

1
/* perf_event_open으로 측정 */
2
struct perf_event_attr attr = {
3
    .type = PERF_TYPE_RAW,
4
    .config = 0x24,   // STALL_BACKEND
5
};
6
int fd = perf_event_open(&attr, 0, -1, -1, 0);

1
ISA 레벨:   r0 = r1 + r2
2
            r3 = r0 + r4
3
            r0 = r5 + r6   (WAW!)
4
            r7 = r0 + r8
5

6
Renaming 후:
7
            v10 = v1 + v2
8
            v11 = v10 + v4
9
            v12 = v5 + v6   (WAW 해소)
10
            v13 = v12 + v8

1
cmp r0, r1
2
it lt
3
movlt r2, #1   ; if (r0 < r1) r2 = 1; else nothing

1
; 회피 (branch hazard)
2
cmp r0, r1
3
bge skip
4
mov r2, #1
5
skip:
6

7
; Good (no branch)
8
cmp r0, r1
9
it lt
10
movlt r2, #1

1
; 4 element 합산 — scalar
2
add r0, r1, r2
3
add r0, r0, r3   ; RAW chain (4 cycle)
4
add r0, r0, r4
5
add r0, r0, r5
6

7
; NEON SIMD
8
vadd.f32 q0, q1, q2   ; 4 elements 동시 — 1 cycle

1
volatile uint32_t counter;   // ← 모든 access fence
2
counter++;                   // load + add + store, 재정렬 금지

1
for (int i = 0; i < N; i++) {
2
    x = x + a[i];   ; ← RAW chain — 한 cycle 1 add만
3
}

1
for (int i = 0; i < N; i += 4) {
2
    x0 += a[i];
3
    x1 += a[i+1];
4
    x2 += a[i+2];
5
    x3 += a[i+3];
6
}
7
sum = x0 + x1 + x2 + x3;