CPU如何重新排序指令

Question

我最近了解了关于CPU指令重排序的有效性。但我无法理解CPU如何重新排序其指令。我的意思是编译时重新排序是可以想象的，因为编译器可以预见即将到来的代码。但对于一个按顺序读取指令的CPU，它如何看到即将到来的指令以便进行重新排序呢？

- ffff

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当你阅读一句话时，你会通过稍微往前看来预测接下来的单词，编程也是同样的道理。 - hobbs

它的读取速度比执行速度快，因此它可以看到即将到来的指令窗口。有关详细信息，请参阅x86 tag wiki中的一些链接，例如Agner Fog的微体系结构pdf，还有David Kanter对Intel Haswell设计的介绍。当然，如果您只是在谷歌上搜索“乱序执行”，您会发现维基百科文章，您应该阅读它。 - Peter Cordes

我的意思是，我不太了解汇编代码，但从我记得的来看，每个指令基本上都在内存中，因此，如果像上面所说，CPU可以比执行更快地读取，它只需遵循指令的内存位置并向前查找。这不是事实，只是我假设的一件事，我之前也没有想过。 - Giora Guttsait

我在另一个问题的答案中写了有关现代x86 CPU核心（如Haswell）如何通过乱序执行找到和利用指令级并行性的详细信息。 - Peter Cordes

Answer 1

指令按程序顺序获取到指令队列中；从队列中解码并移动到保留站。这些保留站有效地进行重新排序：随着它们的参数可用，指令被分派到执行单元以进行执行，而所有参数可用的时间通常不对应于指令队列/内存中的顺序。

例如，使用Tomasulo算法，请参阅以下两个视频：

发射（和寄存器重命名）： https://youtu.be/I2qMY0XvYHA?list=PLAwxTw4SYaPkNw98-MFodLzKgi6bYGjZs

Dispatch/reordering: https://youtu.be/bEB7sZTP8zc?list=PLAwxTw4SYaPkNw98-MFodLzKgi6bYGjZs

- chill

Answer 2

指令按顺序解码，但它们随后进入“正在进行中”的指令集合中。如果满足它们的依赖关系，指令可以向前推进。

例如，假设指令如下：

1. 从内存加载寄存器A。 2. 从内存加载寄存器B。 3. 对寄存器A进行递增。 4. 对寄存器B进行递增。

可能最后两个指令同时进行，如果寄存器B的内存读取先完成（也许已经在L1缓存中），那么寄存器B的递增将在寄存器A的递增之前发生。（当然，在该指令解码之后。）

- David Schwartz