CPU指令融合技术概述

什么是指令融合？

• 某些指令，例如add $3,$2,0, 只会使用rd/rs两个字段，但是这条指令却占用了全部32个bit, 这样会使得代码密度不高，指令域的有效利用率不高；
• 这样，在实现某些功能的情况下，会使得CPU花费更多的时钟周期来处理；
• 因此，引入了指令融合技术：
  • 指的是，将符合融合条件的相邻两条，或者多条指令，进行合并；
  • 一条融合指令的执行，相当于多条被融合的指令同时发射，执行；
  • 这样可以使得CPU花费更少的时间来完成相同的工作；
  • 对于指令来讲，也可以提升指令域段的有效利用率；
• 根据宏融合的基本思想，如果某条指令的空闲指令域足够多，足以容纳另一条指令的所有有效指令域,则可以将这两条或多条相邻的指令融合.
  • 例如，add 的有效寄存器索引是 rs、rt 和 rd，sa 闲置，而jr只有rs有效,因此可以将这两条指令融合.

指令融合原理简介

        为了实现宏融合，fetch阶段预取到指令后，对指令进行扫描,如果连续两条指令的全部有效指令域,经优化可以由单独一条指令容纳,则将这两条指令融合成一条“融合指令”。

        在判断指令是否能够融合时会碰到两个问题:

• 已有指令的空闲指令域不多甚至没有；
• 相邻的两条指令之间有数据依赖关系；

 MIPS指令融合举例

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        从图3可以看到,存在WAW (Write AfterWrite)冲突，并且融合条件要求 rt 与rd一样，限制太紧,实际意义不大。

        一条指令所涉及到的寄存器个数，MIPS通常是3个，Intel X86 通常是2个MIPS:

• add $rl, $r2, $r3; r3=rl+r2；
• X86: add Sr1, $r2;rl=rl+r2；

        各有好处,但是当MIPS指令涉及到相同寄存器时,如add, $r1, $r1, $r1,就严重浪费用于寄存器索引的指令域了,而指令融合关键在于提高指令域的利用率,为此对MIPS指令作第一次扩展.

        所以，下面讲的融合方式，是在对基础的指令集，进行扩展之后，才能使用更好的一些指令融合技术；

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LWSLL2