参考来源：《超标量处理器设计》—— 姚永斌

超标量处理器

一个程序执行时间的公式如下，而这个公式通常也反映了处理器的性能：

图中的CPI - Cycle Per Instruction也就是CPU每条指令需要的周期数量，CPI计算方法就是周期数量除以这段周期内的指令数量。
而基于CPI，就有IPC - Instructions Per Cycle参数，定义执行一条指令需要多少时钟周期，属于更为通用的定义处理器性能的参数。

通常有以下几个加快处理器速度方法：

• 减少指令数量
• 减少CPI，让每个周期执行更多指令，也就是增加IPC，让一个指令的执行时间更短
• 超频，减少单个周期时间

而超标量处理器就是通过在同一个时间内并行执行n条指令来提高IPC的n-way处理器，拥有以下优势：

• 可以通过硬件或者软件配合编译器支持决定哪些指令可以并行执行
• 每个周期可以从Instruction Cache中取出n条指令送到CPU流水线，CPU每个周期也可以执行n条指令（n-way超标量处理器）
• 支持超长指令字（Very Long Instruction Word, VLIW）

后续文章中会围绕超标量流水线处理器的设计进行分享，这里先对于Pipeline进行分享。

Pipeline

流水线设计是超标量处理器中基础的一环，理想情况下，流水线具有以下特征：

• 每个阶段所需要的时间近似
• 每个阶段操作重复执行（实际存在依赖空档期）
• 各个操作阶段之间相互独立、互不干扰（实际RAW场景是相互依赖的）

假设处理器没有使用流水线的周期为D，频率为1/D。在n级流水线中周期为"D/n + S"，S为流水线寄存器的延时，变化信息如下所示：

可以看到，流水线在延时S不影响整体的前提下，能有效提高处理器频率。
当然，更多的流水线设计也会更多消耗硬件面积资源。

不同指令集的流水线实现复杂度也不同：
CISC指令长度以及执行时间不等，实现流水线较为复杂。
RISC指令长度相等，指令执行任务较为规整，比较容易实现流水线。

RISCV流水线如下如图所示：

阶段	任务
Fetch	取指令，使用PC寄存器的数值作为地址，从I－Cache取指令并存储在指令寄存器中
Decode & RegFile read	指令解码，根据结果读取寄存器堆（register file）获取指令源操作数
Execute	根据指令类型，完成计算任务。例如算数类型进行算数运算，访存类型完成地址计算
Memory	访问D-Cache，主要面向读load/写store指令，其他指令类型此阶段不执行
Write Back	若指令存在目的寄存器，将最终结果写到目的寄存器

流水线指令相关性

RAW－先写后读
Read指令操作数来自之前指令Write的，此场景下是强依赖关系。

Write: R1 = R2 + R3
Read: R5 = R1 + R4 // R5结果依赖R1数值

WAR－先读后写
Write指令需要将结果写到某个寄存器中，但是这个寄存器还在被其他指令Read，无法立即写入。

Read: R1 = R2 + R3
Write: R2 = R5 + R4 // R2状态受到之前的访问限制

上述这种情况都可以通过修改下一条指令写入位置（不写入R2寄存器）避免依赖。

WAW－先写后写

Write: R1 = R2 + R3
Write: R1 = R5 + R4

这种依赖性也是可以通过将第二条指令写入其他寄存器避免。

还有一些指令的相关性类型如下：

控制相关性
分支指令引起，只有分支结果确定后，才知道从哪里取得后续指令执行。只能通过预测的方法取指。

存储器相关性
当两个寄存器存储的数值来源的内存地址一样时，会存在隐蔽的相关性。

sw	r1, 0(r5) // 将寄存器r1数值保存到MEM[r5]
lw	r2, 0(r6) // 将MEM[r6]数值读取到r2寄存器

直接看上面的指令很难看出两条指令的相关性，但实际上r5寄存器数值和r6寄存器数值都来自于一块内存。
那么第二条指令的读取，必须等待第一条指令的写入才可以，即RAW的依赖。

而这些指令相关性都会阻碍超标量处理器中的指令乱序执行，都需要在流水线中进行特殊处理，后续会在这篇文章介绍。