Intel Sandy Bridge/Ivy Bridge架构/微架构/流水线 (9) - 流水线前端/微指令队列&循环流侦测器LSD

Micro-op Queue and the Loop Stream Detector (LSD)

微指令队列将流水线前端与乱序引擎解耦合（即隔离开）。它位于微指令生成单元与重命名单元之间（参看上图），主要功能是用于隐藏不同的微指令来源（即传统译码流水线，MSROM和微指令缓存）产生的“气泡现象（即带宽不均衡）”，确保每周期可以发送4条微指令给流水线后续阶段（即乱序引擎）。

对某些指令类型，微指令队列在译码之后具有一些额外的功能。尤其是，读存操作与计算操作以及所有的写存操作，当使用变址寻址时，在译码器和微指令缓存中都表现为单条微指令（即微熔合机制）。但是在微指令队列中，这些操作会被分裂成两条微指令，被称为“离解”过程（un-lamination process）：一条微指令执行读存操作，另一条执行计算操作。下面是一条典型的“读存加计算”指令：

ADD RAX, [RBP+RSI]; rax = rax + LD(RBP+RSI)

类似的，下面这条写存指令具有3个寄存器源（注意不是源操作数），会分解成“生成存储地址”与“生成存储数据”两个字操作。

MOV [ESP+ECX*4+12345678], AL

 

通过“离解过程”生成的额外的微指令会使用重命名和退役带宽；但是，总体上会有省电效果。对于大量使用变址寻址模式的代码（通常是数组处理），重新设计程序算法，使用基址寻址（或相对基址寻址）有时候可以提升程序性能，因为可以保持读存操作与计算操作以及存储操作始终处于熔合状态，即不会被微指令队列“离解”。

The Loop Stream Detector (LSD)

循环流侦测器LSD最初由Intel Core微架构引入（注：位于BPU中）。LSD侦测符合条件的小循环，将其锁定在微指令队列中。循环指令可以直接从微指令队列中获取，不再需要取指/译码或者从任何的缓存中读取微指令，直到分支预测失败结束循环。

符合如下特征的循环方可由LSD/微指令队列锁定：

• 最多由8个32字节指令块构成
• 最多28条微指令（~28 x86指令）
• 所有的微指令同时存在于微指令缓存中
• 可以包括最多8个采纳分支，且这些分支不能是CALL或者RET指令
• 不能有未匹配的栈操作。例如，PUSH指令比POP指令多。

许多计算密集型的循环，查找，和软件字符串搬移操作都符合这些特征。

软件应该“机会主义式的”使用LSD功能。对于要求高性能的代码，循环展开通常比LSD循环锁定更受推荐，即便是循环展开可能导致无法做LSD锁定（例如代码长度过大）。