在Intel 64与IA-32架构中,存在一类用于跳转到以及跳出程序段的指令:PUSH、POP、CALL、LEAVE与RET。这些指令可以在没有其余指令的干预下隐式地更新栈寄存器(ESP),维护栈内的参数,然后再执行其它相应的操作。在P3处理器之前,这类指令都会被解码成多条μops。

从PM处理器开始,引入了Stack Pointer Tracker技术。PM处理器的decoder中添加了对上述指令的处理逻辑,使得上述指令中的隐式更新ESP部分可以在decoder内完成。这种技术带来了以下便利:

  • 节约解码带宽,因为少输出了一个更新ESP的μop,PUSH、POP、以及RET都变成了单μop指令。
  • 节约执行带宽,因为更新ESP的运算不用在EU内执行了。
  • 提升了out-of-order处理的并行度,因为ESP间的隐式依赖已经被消除。
  • 降低了功耗,因为ESP的更新采用了更小型的硬件。

不过ESP除了上述指令中的隐式运算外,还能进行显式运算。ESP的隐式运算是在decoder中以in-order顺序进行的,而显式运算是在execution unit中以out-of-order顺序进行的,为了使得ESP相关指令正确执行,有必要对decoder以及EU中的ESP进行同步。同步分为两部分:

  • decoder执行完ESP相关运算后,把ESP更新到EU。
  • EU执行完ESP相关运算后,把ESP更新到decoder。

这需要EU以及decoder有对ESP的跟踪能力(Stack Pointer Tracking),不过由于指令在经过renamer的时候有用RAT记录了所有寄存器的映射,因此不单单EU,decoder也能跟踪到ESP的变化。

sync ESP from decoder to EU

decoder向EU更新ESP的实现方法是把ESP分为两部分

ESPP = ESPO + ESPD

其中ESPP是程序员眼中的ESP值(ESP实际值);ESPO是EU中用到的ESP,显式的ESP运算会用到该数值;ESPD是decoder中维护的差值,隐式ESP运算会修改这个数值。以下面的例子来阐述其中机制(仅供参考)

如上图所示,在解码POP/PUSH等隐式修改ESP的指令的时候,可以得到这些指令对ESP修改的差值ESPD,然后通过这些差值,decoder内部的硬件逻辑可以直接算出ESPP并用于这类指令的后续操作。一旦碰上显式访问ESP的指令,如果此时ESPD不为0,则插入一条用于更新ESPO的μop,然后把ESPD置为0。

sync ESP from EU to decoder

由于在pipeline中decoder位于EU的前方,所以有可能会出现这种情况:decoder在计算ESPP时,所需的ESPO还没处理完成,此时ESPP只能依靠推测来得到,即speculative calculation。由于可能会推测错误,因此在得到ESPO后还需要进行判断,如果出错则应该把指令回溯,重新以正确的ESP再次执行。有兴趣的可以查看Reference中的第二三条链接作为拓展阅读。

优化建议

StackPointerTracker会在隐式修改ESP指令之后的第一条显式访问ESP的指令插入一条同步指令,因此如果对ESP的隐式修改与显式访问指令频繁交替,则会不断添加同步μop,因而会影响指令的处理效率。不过无论是隐式修改ESP还是显式访问ESP都是函数不可或缺的一部分,因此在函数体内尽量减少对ESP的隐式显式交替访问(尽量不用PUSH/POP指令),某些critical代码善用inline。

Reference:

Intel® 64 and IA-32 Architectures Optimization Reference Manual

Literature: S. Gochman, et al.: The Intel Pentium M Processor: Microarchitecture and Performance. Intel Technology Journal, vol. 7, no. 2, 2003

M. Bekerman, et al. : Early Load Address Resolution Via Register Tracking

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