35、指令流水线与调度技术详解

指令流水线与调度技术详解

1. 指令执行基础

简单计算机一次只能处理一条指令，其处理流程为：先取指令，接着将指令解码为操作码和操作数指定符，然后从寄存器组（或内存）读取操作数，执行操作码指定的算术运算，最后将结果写回寄存器组（或内存），之后再取下一条指令。

而现代计算机能够同时执行多条不同指令的部分操作。例如，处理器在将两条指令的结果写回寄存器的同时，可能正在对另外三条指令进行算术运算，为两条指令读取操作数，对四条指令进行解码，还在取另外四条指令。不过，可能会有五条指令因等待内存读取结果而延迟。

这种处理器通常从单一控制流中取指令，并非多个程序并行运行，而是单个程序的相邻指令同时进行解码和执行，这就是指令级并行（ILP），它是20世纪最后十年处理器速度大幅提升的重要基础。

2. 指令级并行技术

• 流水线机器 ：在同一周期内，一条指令进行写回操作，下一条指令进行算术“执行”操作，上一条指令进行操作数读取操作，以此类推。
• 超长指令字（VLIW）机器 ：在同一处理器周期内发出多条指令，编译器必须确保这些指令之间没有数据依赖关系。
• 超标量机器 ：如果两条或多条指令之间没有数据依赖关系（可在指令解码硬件中快速检查），则并行发出这些指令；否则，按顺序发出指令。因此，即使数据依赖的指令相邻，程序仍能正确运行，但如果编译器将非数据依赖的指令相邻调度，程序运行速度会更快。
• 动态调度机器 ：在指令执行时对其进行重新排序，以便