乱序执行

Posted 2020-12-19 luoboliam

乱序执行的目的就是尽可能的防止分发停顿，比如真正的写后读相关时，流水线必须停顿。思路就是让相关的指令离独立的指令远一点。

乱序执行的条件

1. 需要在值的生产者和消费者之间建立通信，这里消费者指的是当前这条指令，生产者指的是在与这条指令相关的指令。

   • 寄存器重命名：给每个值一个tag。

2. 需要给指令提供缓冲区。

   • 保留站。

3. 指令需要持续监测值是否可用。

   • 当这个值准备好了，就广播自己的tag，消费者匹配tag，如果是自己用的，就知道这个值已经准备好了。

4. 当全部的值都准备好，需要分发指令到对应的功能单元上去。

   • 需要的全部值都准备好，分发指令，出保留站。

寄存器重命名

Tomasulo算法

历史

由Robert Tomasulo发明了带寄存器重命名的乱序执行，用于IBM 360/91的浮点运算单元，需要注意的是当时的IBM 360/91并不支持精确异常，所以我们现在所说的Tomasulo算法与当时的方法还是存在区别。最早商用是在因特尔奔腾Pro。

今天几乎全部主流处理器使用的乱序执行算法都是Tomasulo算法的变种。

指令执行规模受限于指令窗口。

步骤

如果保留站在重命名之前可用，那么将指令和操作数（值+tag）插入保留站。

在保留站中，每条指令关注公共数据总线（CDB）上的数据的tag，看到自己用的tag，就获取数据并保存在保留站，知道全部操作数可用，进行指令分发。

那么指令在功能单元中完成操作后，进行CDB仲裁，将打了tag的值送到CDB上，寄存器堆也连接CDB，如果寄存器的tag（标记了最近需要写入寄存器的entry）与广播的tag匹配，将广播的值存入寄存器，并置有效位，同时回收重命名的tag。

下面是一些例子：

非精确异常的无转发：

非精确异常的全转发：

非精确异常的Tomasulo+全转发：

具体实现借助了寄存器重命名表（寄存器别名表RAT），接下来我们手推一下Tomasulo的过程。

保留站

相关指令的“休息区”，直到数据准备好才出来。这就需要时刻监控保留站中每条指令使用的值，也就是说指令是按照数据流的顺序分发的。与精确异常中的ROB之类的方法不同，这里的乱序指的是乱序分发，而精确异常中指的乱序，意思是乱序执行，但是顺序分发，顺序回收。

好处：容忍延迟（允许独立指令在长时延操作时执行和完成），可以连续的取指译码。

可以看下面的例子：

乱序执行的概念小结

寄存器重命名消除了虚假的相关，建立了生产者和消费者的关系。

保留站使得流水线可以执行独立的操作以保持流水。

标签广播是的指令之间能够交互生产出的值。

唤醒和选择保证了乱序执行的分发。

乱序执行实际上是构建了一个程序块的数据流图，而数据流受限于指令窗口（ROB），简单来说就是在这部分代码段上可以乱序执行，虽然是乱序执行，但是保证了ISA顺序的要求，乱序执行仅仅被约束在微体系结构层面。