超標量處理與X86

回答這個問題先看個wiki，Instruction-level parallelism，x86曾經因為ilp，指令級的並行大有被mips操死在山頂的趨勢，John Hennessy 和David Patterson 獲得了今年的圖靈獎，他們倆曾經寫了一本影響了業界很多年的書，https://m.douban.com/book/subject/20452387/，也創建一間真正的公司實踐自己的理論，risc核心基礎並不在於指令集小，而在於所有指令定長，x86的指令集不是定長的，定長有什麼好處，好處太tmd大了，因為等長的指令集可以很方便塞到流水線上，而我們平時用的寄存器r0, r1其實只是一個名字而已，事實上運算器和寄存器都可以有很多備份，給程序員看到的cpu 只是programmer interface, 而具體的implementations,只要符合指令集的約定就行了，所以沒有因果關係的指令就可以並行執行，比如，我好久沒寫彙編了，彙編格式不一定對，而且各種彙編格式是那麼個意思就好了。

1. load [1234] r0 #從地址1234取一個字
2. load [4567] r1 #從地址4567取一個字
3. add r0 r1 #把r0中的內容加上r1的內容保存在r0中。
4. save [1234] r0 #把r0 中的字存回地址1234
5. move r2 r0 #把r2一個字移動到r0
6. move r3 r1 #把r3一個字移動到r1
7. multi r0 r1 #r0和r1相乘保存結果在r0
8. move r0 r2 #把r0的結果移動回r2
9. move r6 r0 #把r6的數據移動到r0
10. move r7 r1 #把r7 的數據移動到r0
11. add r0 r1 #把r0和r1相加存在r0
12 move r0 r6 #把r0的結果存回r6


我們假設這12條指令，在這些指令中，最耗時的指令是1，2和4，對於cpu來說，在內存存取數據就是io，io的意思就是慢的一逼。這時候cpu的控制器會對這些指令進行重排，我們假設cpu一個機器周期是能執行完一個指令的，事實上一般不能，我們就假設能把。

我們第一個機器周期要執行的指令是

round 1:

1. load [1234] r0 #從地址1234取一個字
5. move r2 r0 #把r2一個字移動到r0
6. move r3 r1 #把r3一個字移動到r1
9. move r6 r0 #把r6的數據移動到r0
10. move r7 r1 #把r7 的數據移動到r0


事實上load內存的指令要可能需要幾個到幾十個機器周期，這裡我們簡化一下，我們假設一個機器周期能夠執行完。也許你會納悶我的1，5， 9都寫了r0難道不會衝突嗎？不會的，這就是現代超標量處理器的特徵，不管運算器還是常規寄存器，都有很多備份，名字是一樣的，你寫的根本不是一個寄存器，或者叫register renaming。所以這些指令統統都是能夠並行的，在一個周期一次性執行完畢收穫結果，我之所以選擇這樣執行序列，只要是我分析了這些指令的因果關係，我把沒有因果關係的指令統統能夠並行，一個周期結束，我載入了1234地址的數據，然後分別把r0和r1都裝進來了。

round 2

2. load [4567] r1 #從地址4567取一個字
7. multi r0 r1 #r0和r1相乘保存結果在r0
11. add r0 r1 #把r0和r1相加存在r0


round 3

3. add r0 r1 #把r0中的內容加上r1的內容保存在r0中。
8. move r0 r2 #把r0的結果移動回r2
12 move r0 r6 #把r0的結果存回r6


round 4

save [1234] r0 #把r0 中的字存回地址1234


為啥定長指令很屌，因為我preload指令的控制器載入一堆指令後會分析你這些指令的因果關係，然後算出執行序，也就是哪些指令和哪些指令可以一起發射，如果是不定長的話，媽蛋我拿第8個指令還需要知道前面7個是什麼玩意，整個取指就是線性，非常噁心，而定長的可以一片一片載入進來分析因果關係，算下執行序，就開始幹了。評論區有說了intel解碼器其實是通過package往解碼器隊列里塞不定長指令的，而解碼器是多路的，所以這裡不會成為瓶頸.而且塞到流水線cisc處理的複雜度和不確定性指數級上升，因為指令數量，和一個指令的複雜程度和耦合程度，直接決定了你能不能在一個很小的空間做很多份運算單元，所以cisc指令天然難以超標量的。

事實上我上面的描述有點bug，我太簡化了，一個周期好多時候執行不完這些發射在一起的指令的，所以有些指令是要執行好多周期的，比如從內存load save，可能最差要幾十個周期。所以真正的流水線是好多層級並行的，而不是單條，每一個時鐘周期，可能每個指令只進展一點點。具體參考計算機體系結構的書。所以這種RISC指令集是如此的屌，當年John Hennessy 和David Patterson開了mips公司，整出來屌炸天的超標量處理器是把cisc的英特爾和AMD操的一愣一愣的，完全只有拚命嬌喘的份。但是，知恥而後勇，英特爾也不是甘心貢獻菊花的貨，他們憑藉pc已經在有很多軟體跑在他們的指令集上，然後巧妙的引進了一層抽象，使用risc的超標量ILP技術。

做法是我不改變x86變長指令集，我引入一個解碼器，所以cisc指令集發射之前先吃進解碼器，然後吐出來的就是定長的risc指令，好了吧，mips不屌了吧。所以憑藉出色的銷售能力和前期積累的客戶，反過來把John Hennessy 和David Patterson操的一愣一愣的，後來John Hennessy 和David Patterson都回了大學當老師，MIPS賣來賣去，最後真淪落的像個妓女一樣。英特爾和AMD屌大霸天。

所以什麼是過時的結構，上層穩定傻逼程序員喜歡，底層抽象實現高效率，這才是最牛逼的架構。這就是cs領域抽象的勝利。具體實現獨立於抽象。如果寫一本處理器史記，感覺John Hennessy 和David Patterson都是可以記入世家的人，雖然他們的王國覆滅了，但是在處理器結構歷史上，John Hennessy 和David Patterson絕壁是對現代處理器影響最深遠的人，他們從學術界，親自操刀殺入工業界，最後雖然失敗了，讓傻逼英特爾ARM撿了便宜，但是John Hennessy 和David Patterson的貢獻非常巨大，所以最後獲得圖靈獎也是理所應當。

而其實英特爾的研發實力也不是弱雞。別看龍芯那樣要飯的那點錢，英特爾每年研發經費可能比整個中國半導體投入都要多，所以英特爾很多技術細節還是領先的。架構這東西，只要程序員喜歡，介面傻逼，又跑的快，誰關心具體細節。

總體來說，兼容和先佔領市場才是王道，想當年江湖上的摩托羅拉去了天堂，施樂也去了天堂，mips雖然還在也等於沒了，sun sparc 也沒什麼存在感了，到了oracle垃圾森手裡只能死了，ibm那麼牛逼讓郭士納大象跳舞整的也是江河日下，最後ppc也只是年年出來裝逼了。當時很多處理器公司都去了天堂，最後結束戰國，歸於x86 arm。只是商業的勝利吧。