CPU乱序执行基础 —— Tomasulo算法及执行过程

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IBM 360/91浮点单元最先实现Tomasulo算法从而允许乱序执行。360体系只有4个双精度浮点寄存器，限制了编译器调度的有效性。而且，IBM 360/91的访存和浮点延迟都很长，如果顺序执行指令，虽然只有RAW hazard，但是后面无关的指令只能被stall。如果乱序执行，还会额外引入WAR和WAW hazard。Tomasulo算法通过Register renaming解决了这些问题。

Tomasulo算法1966年提出，设计目标是让编译器在360系列计算机中通用，不用为每台计算机专门做一个编译器。

因为乱序执行，基础的Tomasulo算法不能保证Precise Exception和Speculation，带有Reorder buffer的Tomasulo算法可以解决这个问题。

作用

• 指令顺序发射(issue/dispatch)，乱序执行(execute)，顺序提交(commit)。
• Register renaming : 通过reservation station和ROB实现。

• distributed RS : 如果多个指令同时等待一个寄存器的数据，那么可以在一个时钟周期内通过CDB传输到多个RS.

• 实现Bypassing/forwarding

• 通过CDB，数据直接从执行单元EU传输到等待该操作数的RS。

• 通过Reorder buffer（ROB），可以实现Precise exception和HW Speculation，同时由于ROB保证指令顺序提交，顺便也消除了WAR & WAW hazard.

不带ROB

图来自computer architecture —— a quantitative approach 6th edition(英