[architecture]-处理器的顺序和乱序执行

(说明：本文不是博主原创文章，原文链接：https://aijishu.com/a/1060000000216149)

现在的处理器执行方式分为两种，顺序执行和乱序执行。根据不同的产品定位，不同的应用场景，所使用的微架构也是不相同的。

1、顺序执行解析

顺序执行的处理器一般用于低功耗类型的处理器，比如ARM公司的cortex-M系列都是顺序执行的，如果要稍微性能和功耗兼顾的产品，也是使用的顺序执行的方式。

何为顺序执行，顾名思义，亦就是按照PC的取指顺序，一条一条的执行。遇到数据相关性就停下等待，当然，可以进行数据旁路的就进行数据旁路加快一下效率。

相比较之下，顺序执行所需要的硬件开销是比较小的。这是因为顺序执行不需要考虑WAW冲突和WAR冲突。即寄存器重命名部件可考虑不使用，仅仅只需要考虑RAW冲突，而RAW冲突是无可避免的，只能通过数据旁路去优化，减少冲突所带来的气泡。

因为相关性的问题，顺序执行一般最多使用双发射结构，再多就浪费了，硬件开销所收获的性能就不成正比。同时，顺序执行不需要额外的监管部件，大家都排好队去执行的，最后按照顺序提交即可。

在此解析一下cortex A53的流水线。ARM公司的cortex A53个人感觉是顺序流水线的巅峰之作了。

Cortex A53是一个顺序双发射8级流水处理器。上图看到最多是十级，那是因为支持NEON浮点运算单元，浮点运算单元时间会比较久。严格在算处理器流水线时，以标量运算为基准。A53在取指时花费三个时钟周期，因为在这一阶段，要做的事情还是比较多的，需要进行分支预测，而且由于是双发的结构，为了提高效率，每次取回一个package的指令是4条，所以取完指令后，会将指令存入 Instruction Queue（指令队列）中，避免后面执行指令没那么快，导致指令丢失。

指令译码会有两个译码单元同时进行译码，提高译码效率。译码完成后送入发射队列中，在发射队列里，会判断指令功能，将指令分发到不同的执行单元中。例如，此时准备好的是一条浮点指令，便将浮点指令送入F0模块中进行运算。是一条标量指令，则把该指令送入ALU运算单元中进行运算。

Cortex A53的coremark性能测试跑分大概在3.1分左右，不算高，但是它将性能和面积之间平衡做得是非常好的。在RISC-V指令集阵营中，不少公司都有产品对标A53处理器，性能是能达到，但是面积或多或少都会比之差一点。当然，ARM公司经过这么多年的经营，其生态是目前的RISC-V无法媲美的，RISC-V在嵌入式领域与ARM竞争目前是不占优势的。

2、乱序执行解析

前文有说过，顺序执行会受到RAW冲突，会造成一定的资源浪费，白白等待很长的时间。为了避免等待，那没有数据相关性的指令是否就能提前去执行呢？那肯定是可以的，所以这就叫乱序执行了。乱序执行的处理器，只是在执行阶段是乱的，在执行阶段以前都是顺序的，按顺序去取指令，按顺序去译码。到了分发段，准备好的指令，没有相关性的指令就可以先行发射，去执行。但是要注意的是，乱序只是执行的时候是乱序，但是在最后提交指令的时候还是按照顺序去提交。

就比如一个公司，有很多订单，一个员工需要上一个员工的给他交接任务才能做，那么在等待的时候，这个员工先做其他的任务，等上一个员工的任务交接给他，他又继续做该任务。最后公司提交这些订单是按照时间顺序提交给客户的，毕竟先来后到。

因此，乱序执行需要一个监管部件，我们称之为 ROB（Re-order Buffer），重排序缓存。

所有的指令都会存在这个单元中，进行备份，并且相应的状态也一并保存。当指令执行完成时，ROB中该指令的状态会被更新，就会将该指令去提交，并移出ROB中。可以把ROB模块理解为一个FIFO，指令在分发段会按照顺序把指令送入保留站，以及ROB模块中，最后会根据指针去进行提交，后面的指令哪怕是执行完成，可以提交了，但是还未到它位置，就不会去提交它。

乱序所需要的硬件开销不止增加ROB模块一个而已，因为乱序执行打破了原有的规则，所以接踵而来的是会有WAW冲突和WAR冲突，这两类冲突需要额外花费相应的硬件去解决掉。比如解决掉WAR冲突就需要使用寄存器重命名的方式去解决。寄存器重命名操作的本质是扩大可用寄存器，在上一篇文章有讲，指令集定义的寄存器组是固定个数的，大家都会去使用，那么将这些寄存器的数量扩大后，可用的寄存器就多了。

比如在一个公司里，大家都需要把资料给到一位老总或者从这位老总手里拿资料，这位老总现在被一帮美女员工所占用，导致其他长得丑的员工没机会去给资料或者拿资料。当然，老板爱美女，更爱江山，为了提高效率，早日开上宝马，就请了一位秘书，说大家把资料给他也行，后面秘书把资料再转交给老板就行。

以上是寄存器重命名操作的举例。读后写（WAR）冲突，情况就是前一条指令需要读一个寄存器，后面一条指令需要对该寄存器写数据进去。如果后一条指令先执行完成，把数据写到该寄存器了，那么前一条指令就极有可能读到一个错误的数据。那先将后一条指令写到另外一个寄存器，也就是上述说的招的秘书，等指令都执行完，再找机会把该寄存器的数据写回到目标寄存器中。

而写后写（WAW）冲突有很多解决办法。前一条指令会对某一个寄存器写数据，后一条指令也是对该寄存器写操作，那么最新的数据就是后一条指令所写的数据，前一条指令的数据我们也就不怎么关心了。所以直接限制前一条指令不写该寄存器了，直接把数据丢掉，让后一条指令写入。但是这样的操作只适用于两条连续的指令，若中间存在RAW冲突，就不太适用了。所以使用寄存器重命名的方式也可以解决此类冲突。

既然使用乱序执行方式了，那么处理器的执行效率也就提上来了，若此时运算单元跟不上，造成结构冲突，那就是一件很丢脸的事情。所以乱序执行的硬件开销更多的都来源于此。浮点运算单元、ALU、访存单元都有多个。并且发射通道也有很多，例如中科院刚刚发布的香山处理器，就是一个6发射的乱序处理器。伯克利大学RISC-V开源处理器Boom最大支持5发射。

3、总结

顺序执行方式和乱序执行方式所应用的场景不同，所使用的架构也会不同。对于嵌入式应用产品（手机除外），一般使用顺序执行的架构即可满足。若面向于一些需要高性能的场景，如手机、电脑、服务器等，一般会采用乱序执行。但是手机这类产品不会单纯的用乱序执行的大核，一般会大小核一起用，即乱序和顺序的处理器都会使用。

顺序执行方式的优势在于硬件开销小，功耗比较低，用于做控制，完成一些简单运算绰绰有余。乱序执行方式的优势在于运算快，对于跑稍微大一点的操作系统或者稍微大一点的运算优势更大一点。在产品上这两者之间如何结合，就需要经验丰富的架构师和产品经理去衡量了。