超標量處理器概覽

1.1為什么需要超標量

處理器執行速度的影響因素

• 程序中指令的數量

• 每條指令在處理器中執行所需要的周期數

  • 普通流水線處理器每周期最多執行1條指令
  • 超標量處理器每周期可以執行多於一條的指令
  • 但不是每周期執行多於一條指令的處理器都是超標量處理器，如VLIW結構的也可以（依靠編譯器和程序員來決定哪些指令可以並行執行）

• 處理器每個周期的時間

超標量處理器專門針對優化IPC（instruction per cycle），超標量處理器每周期可以從I-Cashe提取n條指令送入流水線，

1.2 普通處理器的流水線

理想流水線

• 流水線各階段所需時間近似相等
• 各階段的操作被重復執行。對於算數運算類型的指令不需要訪問存儲器，那么它只需要在訪存階段什么都不做就可以。
• 流水線中各個階段相互獨立，互不相干。但各指令間存在各種相關性，因此很難滿足。

對於復雜指令集如x86，因為指令長度不等，執行時間不等，很難直接實現流水線。

對於精簡指令集如arm，因為指令長度相等，並且每條指令任務量比較規整，所以容易使用流水線。

將流水線階段合並，可以產生三級流水等，適用於對性能要不高的低功耗嵌入式領域。

將流水線階段繼續細分，可以獲得更高性能，但是也會增加硬件資源開銷和分支預測失敗后果更嚴重。

指令相關性

先寫后讀：后一條指令的操作數來源於上一條指令的結果，后條指令必須等上一條指令得到結果才能繼續執行。

先讀后寫：一條指令要將結果寫入到某個寄存器，但這個寄存器還在被其他指令讀取，不能夠馬上寫入。

先寫后寫：兩條指令都要將結果寫入同一個寄存器，那么后面指令必須等前面指令執行完才能執行寫操作。

控制相關性：分支指令只有計算出結果才可以知道后續執行哪些指令，在得到結果的等待時間中只能按照預測方式取指。

對於超標量處理器WAW、WAR、RAW三種相關性都會阻礙指令亂序執行，需要在流水線中進行特殊處理。

1.3 超標量處理器的流水線

超標量處理器執行指令兩種方式：順序執行、亂序執行

frontend指流水線中的取指、譯碼

issue指發射，將指令送到對應的功能單元執行。

write back指將指令結果寫到目的寄存器。可通過內部寄存器重命名實現亂序。

指令完成取指、譯碼、寄存器重命名后進入發射階段，此時指令存儲在緩存發射隊列中，一旦指令操作數准備好了，就可以從發射隊列中離開，送到對應運算單元進行執行。

執行完后亂序寫入重排序緩存，在重排序緩存中實現運行結果的順序整理。

超標量處理器一般流水線深度比較深，除流水線各階段外還需要有預測技術和恢復電路技術。