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現(xiàn)代CPU的流水線一般包括取指、譯碼、發(fā)射、執(zhí)行、訪存、寫回、提交這幾級pipeline。本文主要介紹最后一級流水：提交（commit）。

1. 指令提交

高性能CPU是亂序(out of order)執(zhí)行指令的，為了保持程序執(zhí)行結果的串行性，在流水線中增加最后一級，稱為提交(Commit）階段。當指令到達提交階段，會將指令在重排序緩存(Re-order buffer, ROB)中標記為已完成的(complete)狀態(tài)，需要注意，complete狀態(tài)只表示這條指令已經(jīng)計算完畢，并不表示它可以離開流水線。

流水線中所有的指令都按照進入流水線的順序在ROB中進行了記錄，只有ROB中最舊的那條指令變?yōu)橐淹瓿傻臓顟B(tài)時，這條指令才允許離開流水線，并使用它的結果對處理器的狀態(tài)進行更新，此時稱這條指令退休(retire)了。

因此，一條指令可能要在提交階段等待一段時間，才可以退休，ROB負責完成這個功能，它是提交階段最重要的部件。指令到達提交階段并不代表這條指令一定正確，由于分支預測失敗(mis-prediction) 和異常(exception)等原因，一條處于已完成狀態(tài)的指令可能會從流水線中被抹掉，只有在這條指令之前進入到流水線中的所有指令都已經(jīng)retire了，并且這條指令處于已完成狀態(tài)時，它才可以退休而離開流水線，這樣使程序在處理器中執(zhí)行時有串行的效果 (亂序執(zhí)行，順序提交)。

當指令沒有退休時，它的狀態(tài)都是推測的(speculative)，只有當指令真正退休而離開流水線時，才可以將它的結果更新到處理器的狀態(tài)中，這樣即使有分支預測失敗或者異常，也不會將錯誤的狀態(tài)暴露給程序員。流水線的分發(fā)(Dispatch)階段是處理器從順序執(zhí)行(in order)到亂序執(zhí)行(out-of-order）的分界點，流水線的提交階段又將處理器從亂序狀態(tài)拉回到順序狀態(tài)。從處理器外部看，它總是按照程序中指定的順序執(zhí)行，任何預測技術所產(chǎn)生的錯誤，在處理器內(nèi)部都會解決掉。因此，異常處理是提交階段的一個重要任務。

對于一個N-way的超標量處理器，流水線的提交階段每周期至少需要將N條指令退休，才能保證流水線不會被堵塞。

2. ROB介紹

ROB的結構

在提交階段，將亂序執(zhí)行的指令變回程序中指定的順序狀態(tài)，主要通過Reorder Buffer, 即ROB來實現(xiàn)，ROB本質(zhì)上是一個FIFO。ROB中存儲了指令的相關信息，例如這條指令的類型、結果、目的寄存器和異常的類型等，如下圖。

Reorder Buffer

ROB的entry數(shù)決定了流水線中最多可以亂序執(zhí)行的指令個數(shù)，即亂序窗口OoO（Out-of-Order） window的大小，上圖中每個ROB的表項包括的內(nèi)容如下。

Complete：表示一條指令是否已經(jīng)執(zhí)行完畢；

Areg：指令在原始程序中指定的目的寄存器，它以邏輯寄存器的形式給出；

Preg：指令的Areg經(jīng)過寄存器重命名之后，對應的物理奇存器的編號；

OPreg：指令的Areg被重命名為新的Preg之前，對應的舊的Preg，當指令發(fā)生異常而進行狀態(tài)恢復時，會使用到這個值；

PC：指令對應的PC值，當指令發(fā)生中斷或者異常時，需要保存這條指令的PC值，以便能夠重新執(zhí)行程序；

Exception：如果指令發(fā)生異常，會將異常類型寫到這里，當指令要退休的時候，會對這個異常進行處理；

Type：指令的類型。當指令退休的時候，不同類型的指令會有不同的動作，例如store指令要寫D-Cache、分支指令要釋放Checkpoint 資源等。

在分發(fā)(Dispatch)階段，指令會按照進入流水線的順序?qū)懙絉OB中，同時ROB中對應的complete狀態(tài)位會被置0，表示這些指令沒有執(zhí)行完畢。當某條指令執(zhí)行結束，它就變?yōu)閏omplete狀態(tài)，此時會將 ROB中對應的complete狀態(tài)位置為 1，這條指令的計算結果可以放在ROB 中，也可以放在物理寄存器堆(PRF)中，取決于架構實現(xiàn)。指令在執(zhí)行過程中如果發(fā)生異常，也會將異常類型記錄在ROB中，異常的處理會統(tǒng)一放在提交階段。指令一旦在流水線的分發(fā)階段占據(jù)了ROB中的一個表項，這個表項的編號（ROB ID）會一直隨著這條指令在流水線中流動，這樣指令在之后的任何時刻，都可以在ROB中找到自己。

一條指令一旦變?yōu)镽OB中最舊的指令（上圖中，使用head pointer來指示最舊的指令)，并且它的complete狀態(tài)位為1，并且這條指令在之前沒有發(fā)生過異常，則這條指令可以順利地離開流水線，它的結果可以對處理器的狀態(tài)進行更新；如果這條指令發(fā)生過異常，那么就要啟動異常的處理過程。

端口需求

對于一個4-way的超標量處理器來說，在ROB中每周期可以retire的指令個數(shù)應該是不小于4的。處理器從ROB中最舊的一些指令中（由head pointer 指定），選擇那些已經(jīng)變?yōu)閏omplete狀態(tài)的指令，使其從流水線中退休。例如圖 10.4給出的ROB，在最舊的指令中，有三條指令變?yōu)榱薱omplete狀態(tài)，那么在一個周期內(nèi)就可以將這三條指令都退休。