调度

[第二节常规的优化方案][第四节:指令选择]

　　调度或配对是各代处理器都应使用的一种优化性能的方法. 下面是一个在奔腾和 P6系列处理器上, 用以提高代码速度的配对和调度表. 在某些情况下, 对特定的处理器具有达到最佳性能的变通方案. 这些变通的方法因应用程序的特性而不同. 在超标量的奔腾处理器中, 指令的顺序是使处理器达到最高性能的非常重要的因素.

　　对指令顺序的重新安排增加了将两条指令安排成同时运行的可能性. 与数据相关的指令应被至少一条其它指令所分开.

　　本书描述了你需要了解的 MMX^TM 指令与整数指令配对的原则. 对下表列出的每一种情况, 都在小节中说明了与之相配的原则.

　　进行配对所需了解的几个规则:

通用配对规则:规则仅与机器状态有关, 与指定的操作码无关. 对整数和浮点同样有效. 例如, 单步指令禁止指令配对.
整数配对规则: 对整数指令配对的规则.
对 MMX^TM 指令配对的规则: 由于只存在一个乘法器单元, 规则允许两个 MMX^TM 指令同时执行.
MMX^TM指令与整数指令配对规则: 对一条 MMX^TM 指令和一条整数指令配对的规则.

　　注意浮点指令不可以与 MMX^TM指令配对.

3.1 通用配对规则

　　关于奔腾处理器通用配对规则, 请参见《对Intel32位处理器的优化》应用部分 AP—526(序号242816). 具有 MMX^TM技术的奔腾处理器降低了一些通用配对的规则要求:

如果两条指令中存在一条长度大于7字节的指令, 奔腾处理器不对它们进行配对. 具有 MMX^TM 技术的奔腾处理器, 不对第一条指令大于11字节或第二条指令大于7字节的指令进行配对,前缀不计算在内.
有前缀的指令可在 U管道配对. 前缀为0FH, 66H或67H 的指令也可在 V管道中配对.

3.2 整数配对规则

　　当下列两种情况发生时不能进行配对:

后两条指令是不可配对指令(见下表可配对指令汇总: 并参见《对 Intel32位处理器的优化》应用部分 AP-526, 附录 A包含了一个指令配对特性的完整列表). 通常, 大多数简单的 ALU指令是可配对的.
后两条指令属于寄存器争用(显式或隐式的)的一些类型. 这一规则有一些特例.在较少的情况下, 寄存器争用的指令也可配对. 这种情况在3.2.3中解释.

表 3-1:整数指令配对

在 U 管道中可配对指令	在 V 管道中可配对指令

mov r,r	alu r,i	push r	mov r,r	alu r,i	push r
mov r,m	alu m,i	push i	mov r,m	alu m,j	push l
mov m,r	alu eax,i	pop r	mov m,r	alu eax,i	pop r
mov r,i	alu m,r	nop	mov r,i	alu m,r	jmp near
mov m,i	alu r,m	shift/rot by l	mov m,i	alu r,m	jcc near
mov eax,m	inc/dec r	shift by imm	mov eax,m	inc/dec r	oF jcc
mov m,eax	inc/dec m	test reg, r/m	mov m,eax	inc/dec m	call near
alu r,r	lea r,m	test acc,imm	alu r,r	lea r,m	nop
			test reg,r/m	cc,imm	test a

3.2.1 配对指令集

　　不可配对指令(NP)

移位计数在cl的shift/rotate指令.
长算术指令, 如: MUL, DIV.
扩充指令, 如: RET, ENTER, PUSHA, MOVS, STOS, LOOPNZ.
某些浮点指令, 如 FSCALE, FLDCW, FST.
跨段(Inter-Segment)指令, 如: PUSH sreg, CALL far.

　　在 U或 V管道中的可配对指令(UV)

大多数8/32位 ALU操作, 如: ADD, INC, XOR.
所有的8/32位比较指令, 如: CMP, TEST.
所有8/32位对寄存器操作的指令, 如: PUSH reg, POP reg.

　　U管道中可配对指令(PU)

　　下列指令必须在 U管道中使用, 并可与适当的 V管道中指令配对, 这些指令不能在 V管道中执行.

进位和借位指令, 如: ADC, SBB.
有前缀的指令, 但0FH, 66H或67H前缀的指令除外(参见 2.3节)
用立即数移位的指令.
某些浮点操作, 如: FADD, FMUL, FLD.

　　在 V 管道配对的指令(PV)

　　这些指令可以在 U管道或 V管道中执行, 但只能在 V管道中配对. 由于这些指令改变了指令指针(eip), 所以如果下一个指令可能是不相邻的指令时, 不能在 U管道中配对. 即使当一个管道中的分支被预测为"未提取"时, 当前指令也不能和下一指令配对.

简单的控制传输指令, 如: Call near, jmp near, jcc. 包括 jcc 的短分支和 JCC近分支(具有0F 前缀)的条件分支指令.
fxch

3.2.2由于寄存器相关而不能配对的指令

　　指令配对也受指令操作数的影响, 由于寄存器争用使下列组合不能配对, 本规则的例外情况见下节.

第一条指令向一个寄存器写, 而第二条指令从该寄存器中读(流相关).例如:
```
    mov  eax, 8
    mov  [ebp], eax
```
两条指令均写向同一寄存器(输出相关), 如下例:
```
    mov  eax, 8
    mov  eax, [ebp]
```

　　对 EFLAGS寄存器写的指令配对不受此限 (例如, 两个变换状态编码的 ALU操作), 配对后, 指令执行的状态编码为 V管道指令的状态.

　　注意, 两条指令中, 如果第一条读一个寄存器, 且第二条写一个已知状态(反相关), 则可以配对, 见下例:


    mov  eax, ebx
    mov  ebx, [ebp]

　　为了确定寄存器争用, 对一个字节或一个字寄存器的引用视同对一个完整32位寄存器的引用.因此,


    mov  al, 1
    mov  ah, 0

　　由于在 EAX寄存器内容上输出相关, 故不能配对.

3.2.3 特定配对

　　某些特定指令不受上述"通用" 规则限制. 这些特定配对不受寄存器相关限制, 且大多数隐式地读/写 esp 寄存器或隐式地写状态码.

　　堆栈指针:

push reg/imm ; push reg/imm
push reg/imm ; call
pop reg ; pop reg

　　状态代码:

cmp ; jcc
add ; jne

　　注意这些特定配对由 PUSH/POP指令指定, 且只能是立即数或寄存器操作数, 不能是内存操作数.

3.2.4 配对执行的限制

　　有些配对指令可以同时安排进入管道, 但却并不能并行执行. 作为对 U管道 MMX^TM 指令与 V管道整数指令配对规则的补充, 须增加下列两条规则.

如果两条指令都访问同一个数据高速缓存的存贮体, 则第二条( V管道)指令的申请必须等到第一条指令的申请完成. 当两个物理地址的第2至4位相同时, 发生存贮体冲突. 存贮体冲突的产生将对 V管道的指令产生一个时钟周期的额外迟延.
跨管道的并发执行将保持内存访问的顺序. 一条 U管道中的多时钟周期的指令将单独执行, 直到它最后的内存数据存取完成.


    add  eax, meml
    add  ebx, mem2  ; 1
    (add)  (add)    ; 2  2-周期

　　上述指令将寄存器内容和内存单元的数值相加, 然后将结果置于寄存器中. 带内存操作数的加法将耗费两个时钟周期. 第一时钟周期从高速缓存中取数据, 第二时钟周期执行加法, 由于只有U管道指令有一个内存访问,V管道的加法可以在同一时钟周期启动.


    add  mem1, eax      ; 1
    (add)               ; 2
    (add)add mem2, ebx  ; 3
    (add)               ; 4
    (add)               ; 5

　　上述指令将寄存器内容与内存单元的数值相加, 然后将结果置于内存单元中. 结果放在内存的加法, 执行时耗费三个时钟周期. 第一个时钟周期取值, 第二个时钟周期执行加法, 第三个时钟周期存贮结果. 在配对时, U管道指令的最后一时钟周期与 V管道的第一时钟周期在执行时重叠.

　　在已执行的指令未运行完时, 其它指令不可运行.

　　为了最佳地把握调度和配对的机会, 一种较好的作法是: 在耗费时钟周期数相等的情况下, 尽量安排简单指令序列代替复杂指令. 简单指令在组织时间片上占有优势. load/store 类型的代码类要求更多寄存器并将增大代码大小. 为满足这种对额外寄存器的需求, 应在寄存器分配和指令调度上进一步努力, 使仅当并行性扩大时, 额外的寄存器可被使用.

3.3 MMX^TM指令配对准则

　　本节说明了 MMX^TM指令之间的配对准则和 MMX^TM 与整数指令的配对准则.

3.3.1 两个 MMX^TM 指令的配对

由于只存在一个 MMX^TM 移位器单元, 两条都使用 MMX^TM 移位器单元(pack,unpack和 shift类指令)的 MMX^TM 指令不能配对. 移位操作既可以安排在 U管道执行, 也可以安排在 V管道执行, 但不能在同一个时钟周期内安排在两个管道内执行.
由于只存在一个 MMX^TM乘法器单元, 所以两条都使用MMX^TM乘法器单元(pmull, pmulh, pmadd类指令) 的 MMX^TM 指令不能配对. 乘法操作可以安排在 U管道, 也可以安排在 V管道, 但不能在同一时钟周期内安排在两个管道内执行.
对内存或整数寄存器文件访问的 MMX^TM 指令只能安排在U管道中. 不要将这些指令调度到 V管道中. 应使它们等待, 并安排在下一个指令对中 (且位于 U管道中).
U管道指令的 MMX^TM目的寄存器不能与 V 管道指令的源或目的寄存器匹配(相关检查).
EMMS指令不可配对.
如果 CR0, TS或 CR0被设置, MMX^TM 指令不能进入 V管道.

3.3.2 U管道的整数指令与V管道中的MMX^TM指令配对

浮点指令不能紧跟 MMX^TM指令.
V管道的 MMX^TM 指令不能访问内存或整数寄存器文件.
U管道的整数指令是可配对的 U管道整数指令(参见表3-1)。

3.3.3 U管道的MMX^TM指令与V管道中的整数指令配对

V管道指令是一个可配对的整数 V管道指令(参见表3-1)。
U管道的 MMX^TM 指令不能访问内存或整数寄存器文件.

调度规则

　　包括乘法指令在内, 全部 MMX^TM 指令均可流水作业, 除乘法指令耗费3个时钟周期外, 全部指令执行时耗费一个时钟周期.

　　由于乘法指令执行时用三个时钟周期, 所以乘法指令后的结果只能被安排在三个时钟周期后的指令使用. 考虑这一因素, 避免在乘法指令后的两个指令对内调度一条与之相关的指令.

　　如(原书)2.1.1节所述, 在对寄存器写后再对寄存器存贮, 必须等待两个时钟周期来修改寄存器. 为避免管道阻塞, 存贮调度在修改寄存器的两个时间钟周期后进行.

调度

云风工作室 制作

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