超标量处理器概览

超标量处理器概览

1.1为什么需要超标量

处理器执行速度的影响因素

• 程序中指令的数量

• 每条指令在处理器中执行所需要的周期数

  • 普通流水线处理器每周期最多执行1条指令
  • 超标量处理器每周期可以执行多于一条的指令
  • 但不是每周期执行多于一条指令的处理器都是超标量处理器，如VLIW结构的也可以（依靠编译器和程序员来决定哪些指令可以并行执行）

• 处理器每个周期的时间

超标量处理器专门针对优化IPC（instruction per cycle），超标量处理器每周期可以从I-Cashe提取n条指令送入流水线，

1.2 普通处理器的流水线

理想流水线

• 流水线各阶段所需时间近似相等
• 各阶段的操作被重复执行。对于算数运算类型的指令不需要访问存储器，那么它只需要在访存阶段什么都不做就可以。
• 流水线中各个阶段相互独立，互不相干。但各指令间存在各种相关性，因此很难满足。

对于复杂指令集如x86，因为指令长度不等，执行时间不等，很难直接实现流水线。

对于精简指令集如arm，因为指令长度相等，并且每条指令任务量比较规整，所以容易使用流水线。

将流水线阶段合并，可以产生三级流水等，适用于对性能要不高的低功耗嵌入式领域。

将流水线阶段继续细分，可以获得更高性能，但是也会增加硬件资源开销和分支预测失败后果更严重。

指令相关性

先写后读：后一条指令的操作数来源于上一条指令的结果，后条指令必须等上一条指令得到结果才能继续执行。

先读后写：一条指令要将结果写入到某个寄存器，但这个寄存器还在被其他指令读取，不能够马上写入。

先写后写：两条指令都要将结果写入同一个寄存器，那么后面指令必须等前面指令执行完才能执行写操作。

控制相关性：分支指令只有计算出结果才可以知道后续执行哪些指令，在得到结果的等待时间中只能按照预测方式取指。

对于超标量处理器WAW、WAR、RAW三种相关性都会阻碍指令乱序执行，需要在流水线中进行特殊处理。

1.3 超标量处理器的流水线

超标量处理器执行指令两种方式：顺序执行、乱序执行

frontend指流水线中的取指、译码

issue指发射，将指令送到对应的功能单元执行。

write back指将指令结果写到目的寄存器。可通过内部寄存器重命名实现乱序。

指令完成取指、译码、寄存器重命名后进入发射阶段，此时指令存储在缓存发射队列中，一旦指令操作数准备好了，就可以从发射队列中离开，送到对应运算单元进行执行。

执行完后乱序写入重排序缓存，在重排序缓存中实现运行结果的顺序整理。

超标量处理器一般流水线深度比较深，除流水线各阶段外还需要有预测技术和恢复电路技术。