CPU的流水线，分支预测与乱序执行

流水线

转自：http://www.elecfans.com/emb/dsp/20180405657563.html

流水线的概念来源于工业制造领域，以汽车装配为例来解释流水线的工作方式，假设装配一辆汽车需要四个步骤：

第一步冲压：制作车身外壳和底盘等部件。

第二步焊接：将冲压成形后的各部件焊接成车身。

第三步涂装：将车身等主要部件清洗、化学处理、打磨、喷漆和烘干。

第四步总装：将各部件（包括发动机和向外采购的零部件）组装成车。

汽车装配则同时对应需要冲压、焊接、涂装和总装四个工人。最简单的方法是一辆汽车依次经过上述四个步骤装配完成之后，下一辆汽车才开始进行装配，最早期的工业制造就是采用的这种原始的方式，即同一时刻只有一辆汽车在装配。不久之后人们发现，某个时段中一辆汽车在进行装配时，其它三个工人都处于闲置状态，显然这是对资源的极大浪费，于是思考出能有效利用资源的新方法，即在第一辆汽车经过冲压进入焊接工序的时候，立刻开始进行第二辆汽车的冲压，而不是等到第一辆汽车经过全部四个工序后才开始，这样在后续生产中就能够保证四个工人一直处于运行状态，不会造成人员的闲置。这样的生产方式就好似流水川流不息，因此被称为流水线。

计算机体系结构教材中被提及最多的经典MIPS五级流水线如图1所示。在此流水线中一条指令的生命周期分为：

取指：

指令取指（InstrucTIon Fetch）是指将指令从存储器中读取出来的过程。

译码：

指令译码（InstrucTIon Decode）是指将存储器中取出的指令进行翻译的过程。经过译码之后得到指令需要的操作数寄存器索引，可以使用此索引从通用寄存器组（Register File，Regfile）中将操作数读出。

执行：

指令译码之后所需要进行的计算类型都已得知，并且已经从通用寄存器组中读取出了所需的操作数，那么接下来便进行指令执行（InstrucTIon Execute）。指令执行是指对指令进行真正运算的过程。譬如，如果指令是一条加法运算指令，则对操作数进行加法操作；如果是减法运算指令，则进行减法操作。

在“执行”阶段的最常见部件为算术逻辑部件运算器（ArithmeTIc Logical Unit，ALU），作为实施具体运算的硬件功能单元。

访存：

存储器访问指令往往是指令集中最重要的指令类型之一，访存（Memory Access）是指存储器访问指令将数据从存储器中读出，或者写入存储器的过程。

写回：

写回（Write-Back）是指将指令执行的结果写回通用寄存器组的过程。如果是普通运算指令，该结果值来自于“执行”阶段计算的结果；如果是存储器读指令，该结果来自于“访存”阶段从存储器中读取出来的数据。

在工业制造中采用流水线可以提高单位时间的生产量，同样在处理器中采用流水线设计也有助于提高处理器的性能。以上述的五级流水线为例，由于前一条指令在完成了“取指”进入“译码”阶段后，下一条指令马上就可以进入“取指”阶段，依次类推，如图2所示，如果流水线没有停顿，理论上可以取得每个时钟周期都完成一条指令的性能。

分支预测

转自：https://zhuanlan.zhihu.com/p/36543235

上述流水线架构对于顺序执行的命令，效果提高显著，但是遇到跳转命令时效率便会急剧下降，对于分支跳转指令，我们在执行完该指令之前是不知道是否发生跳转的，也就是说，我们在分支指令执行完之前，我们无法确定分支指令的下一条指令的地址，所以也就没法把分支指令的下一条命令放入流水线中，只能等待分支指令执行完毕才能开始下一条命令的取指步骤，所以流水线中就会出现气泡（Bubble），这会大大降低流水线的吞吐能力。
为了解决上述问题，分支预测器应运而生。当指令执行到分支跳转指令时，CPU不再是空等待分支跳转指令执行完毕给出下一条命令的地址，而是根据模型预测分支是否发生跳转以及跳转到哪里，CPU将预测到的指令直接放入流水线，去执行指令的取指、译码等工作。

当分支跳转指令完成执行阶段后，给出是否跳转的结果，CPU即可判断分支跳转预测是否正确，如果指令执行后的跳转结果与分支预测器预测结果相一致，则流水线继续往下执行，如果发现分支预测结果出现错误，则需要清空流水线，将前面不该进入流水线的指令清空，然后将正确的指令放入流水线重新执行。

乱序执行

由于在指令在一定逻辑上只能按照顺序执行，比如疫情期间在家办公，计划的顺序是起床、等快递来送菜、做早饭、吃早饭、回复邮件、开始工作。但是快递小哥迟迟不来，咱们是不是得一直等着他来送菜再进行下面的事情？显然不会，你一定会把等菜、做饭、吃饭等一系列步骤放着，先去执行另一系列的步骤（发邮件、工作），因为这两个系列的步骤是完全不相关的。放在CPU中的逻辑时，**某条指令需要访存，访存的时候多级cache不命中、内存缺页等原因导致访存时间延长，这个时候是不是也像快递小哥迟迟不来一样，这个时候咱们就要先放弃这一系列的事情，先去执行后面的与之无关指令。**等访存结束再去回去执行之前被耽搁的指令，这就是乱序执行（因为指令的顺序被打乱了）。这样的代价在哪里？为什么叫乱序执行，不叫乱序提交，那就是因为提交顺序（最后结果）必须正确，比如一个寄存器按照原本的顺序是被改成3、3被访问、被改成5、5被访问，显然前两个跟后两个没有关系，如果出现了乱序执行，先执行了后两个，那么寄存器最后结果就是3了，后续跟这个寄存器打交道的指令都会出错（原本希望最后是5），所以提交顺序一定要正确，所以设计了保留站和ROB（重排序缓冲），那就是标记指令本来的执行顺序，在写回（最后一级流水线）的时候、如果比自己标记好小的指令不提交，自己就在ROB中呆着等待原本在自己前面的指令提交。这样就保证了既节省时间又能正确提交

不光CPU会进行乱序执行，编译器也会进行乱序执行，他们会打乱程序原本的执行顺序，若不希望CPU和编译器有如此乱序，需要自行在代码中加入“屏障”和“内存屏障”