從4004到core i7：處理器的進(jìn)化史（3）-4-第一次加速

　　假設(shè)我們的帶流水線CPU恰好就有5個(gè)環(huán)節(jié)分別完成以上的5個(gè)步驟，那么在上面的代碼中，某時(shí)刻：

　　[ID] mov reg2,reg1
　　[OC] mov reg1,1
　　[EX] nop
　　[WB] nop

　　下一時(shí)刻如果是這樣：

　　[OC] mov reg2,reg1
　　[EX] mov reg1,1
　　[WB] nop

　　就會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤：在OC環(huán)節(jié)進(jìn)行的是寄存器讀，我們本來應(yīng)該讀到reg1=1，但是上面的情況中由于reg1=1沒有WB，我們讀到了reg=0!

　　正確地處理應(yīng)該是這樣：

　　[ID] mov reg2,reg1
　　[OC]nop
　　[EX] mov reg1,1
　　[WB] nop

　　----------------------------

　　[ID] mov reg2,reg1
　　[OC]nop
　　[EX] nop
　　[WB] mov reg1,1

　　-----------------------------

　　[OC] mov reg2,reg1
　　[EX] nop
　　[WB] nop

　　----------------------------

　　[EX] mov reg2,reg1
　　[WB]nop
　　...

　　上面的情況叫做數(shù)據(jù)依賴(data dependency)，是降低流水線性能的主要原因。我們對(duì)數(shù)據(jù)依賴的解決辦法很簡(jiǎn)單：

　　對(duì)流水線中的指令更改的寄存器、內(nèi)存都做記錄。在OC環(huán)節(jié)進(jìn)行審查，如果該指令讀取的寄存器、內(nèi)存沒有掛起的更改(沒有還沒有WB的更改)，就執(zhí)行讀取，否則便要等待直到最近的一條更改讀取的指令的WB執(zhí)行之后才能執(zhí)行。

　　對(duì)于內(nèi)存的更改的實(shí)際情況要更復(fù)雜些，在這個(gè)帖子中先不講，留到后面和超標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)一起敘述。

　　在上面的等待過程中，我們?cè)诹魉€中插入了一些nop指令，這種現(xiàn)象叫做空泡(bubble)。不難想象，在某些有著20多級(jí)流水線的CPU中的bubble常常長(zhǎng)達(dá)十幾個(gè)環(huán)節(jié)。

　　數(shù)據(jù)依賴產(chǎn)生的最嚴(yán)重的空泡莫過于分支(branch)。你可能經(jīng)常在C源代碼中這樣寫：

　　if(sel==1)
　　{
　　proc1();
　　}
　　else
　　{
　　proc2();
　　}

　　放到上面的5級(jí)流水線中考慮時(shí)，我們驚訝地發(fā)現(xiàn)：

　　sel==1這一判斷(CMP指令)的結(jié)果(常常是狀態(tài)寄存器的ZF位)要到WB的時(shí)候才能知曉，但它影響的卻是PC(程序指針)的值，也就是說產(chǎn)生數(shù)據(jù)依賴的是IF階段!分支指令可能產(chǎn)生長(zhǎng)達(dá)5個(gè)環(huán)節(jié)的空泡!

　　正是由于分支指令對(duì)性能的極大損害，現(xiàn)代的CPU常常費(fèi)盡心思地進(jìn)行分支預(yù)測(cè)(branch prediction)，期望盡量猜中分支指令執(zhí)行的結(jié)果，盡可能減少極端的長(zhǎng)空泡。

　　不幸的是，分支是任何語言必不可少，甚至是最有用的部分：一個(gè)只能順序向下執(zhí)行的程序有什么用呢?

　　你可以想象早期的CPU面對(duì)分支語句有多么無力。更加不幸的是，最愛用分支語句的程序恰恰是必不可少的：編譯器!傳說GCC中就有超過4000個(gè)if語句。

　　下面再?gòu)碾娐返膶用嫔险f說pipleline這件事：

　　CPU的執(zhí)行引擎(execution engine)可以被看成一個(gè)巨大的邏輯電路。它有一個(gè)傳輸延時(shí)t_pd,logic，即它從輸入(IF開始)到輸出(WB結(jié)束)的耗時(shí)。

　　在尋找最高時(shí)鐘頻率，即最小時(shí)鐘周期間隔時(shí)，自然有：