移位操作码真的比移动指令快3倍吗？英特尔x86

Question

在我的Intel x86 Pentium手册中，它说ADD和SAL/SHR等移位操作需要1/3的时钟周期，而JMP和MOV等操作需要1个时钟周期。一堆加法和移位操作真的比一堆MOV操作快3倍吗？

我感到困惑的原因是网上有一个“Pentium M”的“延迟时间”表格，没有一个时间是1/3，尽管有几个是1/2。这是因为我的书已经过时了，在更新的Pentium处理器上，移位操作与JMP的速度相同吗？

- Tyler Durden

---

原始的 Pentium 处理器是从 1993 年开始推出的，但现在已经有很多变化了！ - Bo Persson

这是我拥有的书籍链接：http://marketplace.vintage-computer.com/auction_details.php?name=Intel-Pentium-Processor-Family-Developers-Manual-Vol-3-Architecture&auction_id=112800。该书为1995年出版的《Intel Pentium处理器家族开发者手册第3卷：架构和编程手册》。 - Tyler Durden

Answer 1

不要将“延迟”与“倒数吞吐量”混淆。

- “延迟”是指执行一条指令需要多少个周期。 - “倒数吞吐量”是指处理器可以维持多少个指令在一个周期内执行。

你看到的“1/3”并不是指延迟，而是倒数吞吐量。如果这些操作之间互相独立，那么处理器可以每个周期执行3次ADD操作。但每个ADD操作至少需要1个周期才能完成。

如果延迟为“1”，倒数吞吐量为“1/3”，则处理器可以同时执行最多3个ADD操作。但每个操作仍然需要1个周期。

历史上，大多数英特尔处理器（自Pentium以来）都有3个主要执行单元，可以执行基本操作，如加法和移位。这就是为什么大多数操作的倒数吞吐量为“1/3”。

寄存器到寄存器的MOV操作也应该是“1/3”。但是触及内存的MOV操作（即加载和存储）历史上只有1个周期。（最近随着Sandy Bridge和以后的处理器，这已经得到改善。）

- Mysticial

---

“自从Pentium以来？”自 Pentium 以来，架构已经完全改变了好几次，尽管根据http://www.agner.org/optimize/instruction_tables.pdf的说法，回溯到 Pentium M 的所有更改似乎都是相对进化的。 - Pascal Cuoq

Answer 2

假设这是关于原始Pentium处理器（即不是Pentium Pro或更新版本），1/3并不意味着“三分之一”（或类似的任何内容）。它表示指令的吞吐量为1个周期，延迟为3个周期（即您可以每个周期开始一个指令，并且每个周期可以完成一个指令，但指令需要三个流水线阶段，因此在开始和完成特定指令之间存在三个周期的延迟）。

原始Pentium只有两个执行单元，没有乱序执行。在给定的时钟周期内，下一条指令将在U流水线中执行。如果满足正确条件，则其后的指令可以在V流水线中执行。在任何情况下，任何给定周期内都不会执行超过两条指令，并且在单个流水线中永远不会以每个时钟超过一条指令的速度执行。

后来的处理器（从Pentium Pro开始）添加了乱序指令调度和在单个周期内执行多于两条指令的能力（可以有很多“在飞行中”，但每个周期限制最多只能退役三个）。 Pentium IV添加了在同一执行单元中在单个时钟周期内执行2个非常简单的指令（寄存器到寄存器AND、OR、NOT、ADD、SUB、单位移位），即它具有实际以双倍额定时钟速度运行的执行单元，因此例如，在2.8 GHz处理器上，一小部分电路实际上以5.6 GHz的速度运行。

- Jerry Coffin

---

好的，你的意思是说1/3是指给定的ADD/SHR执行至少需要3个时钟周期吗？如果是这样的话，这显然意味着ADD/SHR比JMP/MOV更慢，我想这是有道理的。 - Tyler Durden

@TylerDurden：是的，基本上就是这样。我似乎有一个模糊的记忆，在那个时候手册上有一个打字错误，显示的是1/3，实际应该是1/2（也就是说，所谓的三个周期延迟实际上只有两个）。 - Jerry Coffin