寄存器重命名

参考：《超标量处理器设计》CHP 7

对于假性数据相关 WAW 和 WAR，其制约了原始程序可以获得的并行性，需要通过寄存器重命名的方法将它们消除掉。

重命名映射表（Register Renaming Table, Intel称之为Register Alias Table, RAT）。（注意Intel文档中的RAT指重命名技术，方便理解文档）。

 

注意：以下内容只是记录，没有花费时间去理清其硬件实现，算是一个程序员的基本素养吧

对于寄存器重命名来说，概括起来，有三种方式都可以实现它：

（1）将逻辑寄存器（Architecture Register File, ARF）扩展来实现寄存器重命名

（2）使用统一的物理寄存器（Physical Register File, PRF）来实现寄存器重命名

（3）使用ROB来实现寄存器重命名

Intel多采用（2）、（3）来实现，而MIPS则采用（2）来实现。这三种方法的本质都是要将指令集中定义的逻辑寄存器，在处理器的执行过程中，动态的映射到处理器内部实际使用的物理寄存器上，使用这些物理寄存器来代替逻辑寄存器，从而可以增加寄存器的个数。要实现寄存器重命名，一般要考虑：

（1）何时占用一个物理寄存器？此寄存器来自哪里？

（2）何时释放一个物理寄存器？此寄存器去往何处？

（3）发生分支预测失败时（mis-prediction），如何处理？

（4）发生异常时（exception），如何处理？

 

使用ROB来实现寄存器重命名：

在超标量处理器中，每条指令都会将自身的信息按照程序中原始的顺序存储到ROB中，当一条指令将结果计算出来之后，会将其写到ROB中，但是由于分支预测失败（mis-prediction）和异常（exception）等原因，这些结果未必就是正确的，它们的状态被成为推测的（speculative）。在一条指令离流水线之前，它都会待在ROB中，只有当指令变为流水线中最旧的指令，并且被验证为正确的时候，才会离开ROB，并使用它的结果对处理器状态进行更新，例如将结果写到ARF中，这种方式相当于将PRF和ROB集成到了一起。

 

流水线中的分发（Dispatch）阶段就是将寄存器重命名之后的指令写到发射队列（Issue Queue）和重排序缓存（ROB）的过程，指令到达发射队列后，就可以按照乱序的方式执行了，通过重排序缓存将这些指令再变回到程序中指定的顺序。分发阶段可以和寄存器重命名阶段放在一个周期内完成。但是当发射队列和重排序缓存的容量比较大时，向它们当中写入东西会变得很慢，这样会严重影响处理器的周期时间，因此很多处理器都会为分发阶段单独使用一个流水段。