指令级并行技术：多发射与乱序执行

"本文主要探讨了CPU设计中的多发射技术，并深入讲解了指令级并行性、乱序执行、动态调度、寄存器重命名、转移猜测等关键概念，以及动态调度技术对性能提升的影响。文章还提到了Alpha21264处理器作为实例，展示了多发射结构的实现细节，包括数据通路的宽度增强和访存部件的增加。" 在处理器设计领域，多发射是一种提升计算效率的技术，通过在同一时钟周期内发射多条指令来实现空间上的并行性。Alpha21264处理器是这种技术的一个例子，它可以一次取指4条，发射6条，写回6条，最后Commit 11条，这表明其数据通路显著变宽，同时需要更多的寄存器读取端口和访存部件。为了处理并发的指令，处理器可能需要两个或更多的访存部件，并通过倍频技术来增加访存带宽。 指令级并行的关键技术包括指令流水线、多发射、乱序执行、动态调度和寄存器重命名。指令流水线允许不同阶段的指令在时间上重叠执行，而多发射则是通过在同一时钟周期内发射多条指令实现空间上的并行。乱序执行允许指令在完成之前不按顺序发射，以更充分地利用计算资源，而动态调度则通过保留站等技术避免指令间的相关性影响后续指令的执行，进一步提高效率。 动态调度技术的核心是将相关检查和等待过程与译码过程分离，通过保留站来存储等待执行的指令，这样即使前面的指令因相关性暂停，后面的指令也可以继续前进。保留站可以是独立的，每个功能部件都有自己的保留空间；也可以是分组的，多个部件共享；或者全局的，所有部件共享。每种类型都有其优缺点，如数据通路复杂度、保留站的效率和发射复杂度等。 寄存器重命名技术解决了乱序执行中指令结果不能立即写回寄存器的问题，因为指令可能会由于分支预测错误或异常而被取消。转移猜测是另一种提升性能的手段，处理器在转移条件确定前会尝试预测分支路径，平均来说，这种方法能正确预测大约90%的分支。 多发射技术是现代CPU设计中的重要组成部分，它结合了多种指令级并行技术，以优化处理器性能。通过理解这些技术的工作原理，我们可以更好地了解CPU如何在短时间内处理大量指令，从而提高计算机系统的整体性能。