CPU處理無條件轉移指令時,為何實際上要清除流水線?

01-03

(若我的認知有誤,請務必指出教我.正確的回答對我來說簡直是恩賜.)
以X86或X64來說.只考慮段內轉移.書上說執行JMP與CALL會清除指令流水線,對嗎?
1.
JMP指令剛讀取完之後,無條件轉移到目的地址,只考慮這一點,這等同於目的地址就在下一條無異.
對於流水線來說,只需要接下來PC指向目的地址就可以不用清除流水線了.

2.
要實現PC自動指向JMP的目的地址,在我的認知下,好像只是要做一個加法,或者遇到絕對地址就直接覆蓋.是否如我認為的這樣簡單?
是否有邏輯錯誤?為何聯繫到實際的實現CPU卻沒有這樣做?
3.
在我認知下,CPU中的BTB,在首次遇到JMP時,對此還是不能有幫助的吧?
4.
假設,假設JMP可以實現不中斷流水線,那麼CALL是否可以在CPU拆解為PUSH+JMP,從而實現不清除流水線？

Ultraman大神和不懂CPU的同學的回答已經很完善，我僅說題干中疏漏之處：

書上說執行JMP與CALL會清除指令流水線？

這個說法並不精準，分支指令的確清除流水線，但是這件事發生在「分支指令被識別出來，並預測它會跳轉」這個時刻。如果是取指時發現，就會僅清除取指流水線，如果是解碼時發現，就會僅清除解碼流水線。如果指令被諸如uop cache，或loop buffer等硬體記憶過，那麼它很有可能順利執行且不清除任何流水線。

要實現PC自動指向JMP的目的地址,在我的認知下,好像只是要做一個加法,或者遇到絕對地址就直接覆蓋.是否如我認為的這樣簡單?

想法很美好，但是實現你說的想法一般需要4-5個時鐘周期，因此等CPU做完你說的加法，其實又需要清除這4-5個周期的流水線 orz 且這當中又有其他困難之處：「這個加法實現起來一點都不簡單」

拿x86舉例子，無條件跳轉可以分成 1.絕對跳轉 2.相對跳轉 3.特殊情況如任務切換

題干提到的加減偏移量僅適用於「絕對跳轉」的情況，後面兩種情況則需要其他的硬體去實現。

比如相對轉移： JMP ptr [EAX + 8*ECX +0x8], 這樣的目標地址，是無法在解碼之前就確定下來的。

那麼CALL是否可以在CPU拆解為PUSH+JMP？

Call和Jmp的區別不僅僅是Call會將現場壓棧。Call是功能性很強的指令，它可以完成代碼優先順序控制功能。Previlige保障了用戶態的代碼不會干擾系統態的代碼，而Call可以提供不同優先順序的代碼間引用。

拋開這一點，題乾沒問題，在pipeline flush的情況上，Call和Jmp是大同小異的。

不是完全懂CPU，只說我知道的部分吧。

第一個問題：

取指和解碼是流水線里的兩步，只有經過解碼才能知道這條指令是不是JMP，而這時下一條指令已經在流水線取指這一步上了。所以流水線是必須要清掉的，否則的話就要在取指的時候判斷指令是否是JMP，這樣會讓流水線變得複雜，不如讓BTB去做好了。而且實際CPU上，取指到解碼中間還有沒有別的動作就不清楚了，所以最可靠的方法還是清空流水線。如果不清空流水線，那麼就說明BTB已經準確預測了。

第二個問題：

你把取指和解碼當成一步了，其實是兩步甚至更多，所以參見上面的問題，你這樣設計會破壞流水線的結構。另外，題主沒有說是哪種JMP，如果是帶判斷的、目標地址是寄存器的JMP，那麼流水線里的東西會很多。

第三個問題：

不清楚，我的印象里BTB不能做到100%預測，所以首次JMP時可能會失敗。

第四個問題：

你這個是假設JMP不中斷流水線的情況下，但因為JMP必然中斷流水線，所以不成立；

假設JMP不中斷流水線，那麼你的假設可能是成立的，這一點我不了解具體的微結構設計，不完全確定。