亂序執行

亂序執行的目的就是盡可能的防止分發停頓，比如真正的寫后讀相關時，流水線必須停頓。思路就是讓相關的指令離獨立的指令遠一點。

亂序執行的條件

1. 需要在值的生產者和消費者之間建立通信，這里消費者指的是當前這條指令，生產者指的是在與這條指令相關的指令。

   • 寄存器重命名：給每個值一個tag。

2. 需要給指令提供緩沖區。

   • 保留站。

3. 指令需要持續監測值是否可用。

   • 當這個值准備好了，就廣播自己的tag，消費者匹配tag，如果是自己用的，就知道這個值已經准備好了。

4. 當全部的值都准備好，需要分發指令到對應的功能單元上去。

   • 需要的全部值都准備好，分發指令，出保留站。

寄存器重命名

Tomasulo算法

歷史

由Robert Tomasulo發明了帶寄存器重命名的亂序執行，用於IBM 360/91的浮點運算單元，需要注意的是當時的IBM 360/91並不支持精確異常，所以我們現在所說的Tomasulo算法與當時的方法還是存在區別。最早商用是在因特爾奔騰Pro。

今天幾乎全部主流處理器使用的亂序執行算法都是Tomasulo算法的變種。

指令執行規模受限於指令窗口。

步驟

如果保留站在重命名之前可用，那么將指令和操作數（值+tag）插入保留站。

在保留站中，每條指令關注公共數據總線（CDB）上的數據的tag，看到自己用的tag，就獲取數據並保存在保留站，知道全部操作數可用，進行指令分發。

那么指令在功能單元中完成操作后，進行CDB仲裁，將打了tag的值送到CDB上，寄存器堆也連接CDB，如果寄存器的tag（標記了最近需要寫入寄存器的entry）與廣播的tag匹配，將廣播的值存入寄存器，並置有效位，同時回收重命名的tag。

下面是一些例子：

非精確異常的無轉發：

非精確異常的全轉發：

非精確異常的Tomasulo+全轉發：

具體實現借助了寄存器重命名表（寄存器別名表RAT），接下來我們手推一下Tomasulo的過程。

保留站

相關指令的“休息區”，直到數據准備好才出來。這就需要時刻監控保留站中每條指令使用的值，也就是說指令是按照數據流的順序分發的。與精確異常中的ROB之類的方法不同，這里的亂序指的是亂序分發，而精確異常中指的亂序，意思是亂序執行，但是順序分發，順序回收。

好處：容忍延遲（允許獨立指令在長時延操作時執行和完成），可以連續的取指譯碼。

可以看下面的例子：

亂序執行的概念小結

寄存器重命名消除了虛假的相關，建立了生產者和消費者的關系。

保留站使得流水線可以執行獨立的操作以保持流水。

標簽廣播是的指令之間能夠交互生產出的值。

喚醒和選擇保證了亂序執行的分發。

亂序執行實際上是構建了一個程序塊的數據流圖，而數據流受限於指令窗口（ROB），簡單來說就是在這部分代碼段上可以亂序執行，雖然是亂序執行，但是保證了ISA順序的要求，亂序執行僅僅被約束在微體系結構層面。