处理器结构--ReorderBuffer

ReorderBuffer的作用

Reorder Buffer用来保存在乱序执行之前的(OOOE)指令执行顺序，当指令集合在乱序执行后按照原有指令顺序将结果提交。

ROB会将指令按照原有程序的顺序保存，这些指令会在被dispatched后添加到列表的一端，而当他们完成执行后，从列表的另一端移除。通过这种方式，指令会按他们dispatch的顺序完成。

实现方案

ROB的一种实现方案是环形缓冲区（类似于操作系统的IO缓冲区）。

在指令分发(dispatch)阶段在环形链表尾部增加指令集合。在指令完成阶段(complete)在头部增加从链表中移除的指令集。

• 当头指针(head)赶上尾指针（tail）的时候，ROB处于Empty状态。
• 当头尾指针都到了Buffer的末尾时，他们会再度环绕在最开始的指针处。
• 当尾指针环绕并且追上头指针时，Buffer就已经满了

在ROB中的每个Entry都必须包含足够的信息，使得在完成阶段可以知道该指令是否已经完成：

• Busy位
  Busy位不是真正需要的，因为在complete阶段的头指针以及dispatch阶段的tail指针就是被用来追踪busy位所标志的Entries的

• Issued位
  Issued位也可能不需要，因为在complete阶段不关心指令是否已经发射

• Finished位
  Finished位是一个必要的信息，因为没有完成执行的指令是不允许进入complete阶段。当流水线的execution阶段把它的结果写到转发总线时，Finished位必须被写入。这也需要执行单元有一个指向ROB里面的每条已经完成的指令的指针。

当指令执行造成了异常时，指令地址必须保存下来。当异常被处理完后，PC寄存器将使用保存下来的指令地址重启。并且分支指令可能需要指令地址去决定PC寄存器去覆盖预测错误的分支。

重命名寄存器编号(Rename register number)对于完全知道重命名寄存器写入逻辑寄存器(Architected Register)也是有必要的。重命名寄存器编号能够用来检查重命名寄存器堆(RRF)中Valid位，判断指令是否完成。这也使得Finished位没有必要了。

ROB会提供一个非常便捷的位置用来存储逻辑寄存器编号(Logical Register Number)，Complete阶段也需要逻辑寄存器编号去写入逻辑寄存器中(Architected Register File)

• Speculative(预测)与Valid位
  Speculative与Valid位也可能是不必要的，取决于如何从预测错误的分支覆盖的逻辑实现。推测指令永远无法到达重新排序缓冲区(ROB)的头部，因为之前的指令（包括分支）必须先完成。因此，分支将已经被解决，并且如果需要的话，在允许分支完成的任何（依赖于控制的）指令之前回复到初始状态。

如果在覆盖期间从重新排序缓冲器中移除控制依赖的指令，则不需要Valid位，否则，控制依赖指令必须被标记为无效，这样当它们到达重新排序缓冲器的头部时，它们可以被忽略。

流程

重新排序缓冲器的流程必须完成以下操作

• 分配：在dispatch阶段为程序顺序指令在重新排序缓冲区中保留空间
  • 尾指针在重新排序缓冲器中选择一个位置
  • 将必要的信息加载到ROB中（如指令地址，重命名寄存器，逻辑寄存器等）
  • 尾指针自增
• 等待：Complete阶段必须等待指令执行完毕
  • 在ROB头部的所有的指令全部执行完毕(finished)，或者具有有效的重命名寄存器
  • 第一个未完成的指令完全停止
• 完成：已结束(finished)指令允许将结果按顺序写入逻辑寄存器中(architected registers)。
  • 将重命名寄存器的值copy到逻辑寄存器中
  • 解除在重命名寄存器与逻辑寄存器之间的关系(将逻辑寄存器的Busy位设置成0)
  • 解除ROB的关系（通过将头指针递增）

参考资料

环形缓冲区
Reorder Buffer
Reorder Buffer: register renaming and in- order completion
The Reorder Buffer
寄存器堆