Ch7 寄存器重命名

7.1 概述

相关性（dependency）指一条指令的执行依赖于另一条指令的结果，可分为几类：

数据相关性：
1. Output dependency/ write after write
2. Anti dependency/ write after read
3. True dependency/ read after write
存储器数据的相关性（Memory data dependency），表示访问存储器的指令之间的相关性，也有以上三种。
控制相关性（Control dependency），由于分支指令引起的相关性，使用分支预测解决。
结构相关性（Structure dependency），指令必须等到处理器中某些部件可以使用时才能继续，如需要等发射队列（Issue queue）、重排序缓存（ROB）、功能单元（FU）空闲。

通过更换寄存器可以解决 WAW/WAR 相关性，这两种不算真相关性，出现的原因可能有以下原因：

有限数量寄存器。
程序中的循环体，若反复写入同一寄存器，会出现大量 WAW，而有限的寄存器会导致某个时刻 WAW 不可避免，占用存储和 I-Cache 缺失升高。
代码重用，一些小函数被频繁调用，即存在 WAW，虽然可以将函数嵌入调用程序中（inline）来解决，但仍然会又上述问题。简单的增加存储器会导致处理器不兼容，也无法解决代码重用产生的 WAW，最好的方法是使用硬件管理的寄存器重命名（Register Renaming）。处理器中实际存在的寄存器个数要多余 ISA 中定义的通用寄存器个数，这些内部实际存在的寄存器称为物理寄存器（Physical register），ISA 中定义的寄存器称为逻辑寄存器（Logical register, architecture register）。如 MIPS 定义 32 个通用逻辑寄存器，而经过重命名后使用的可以有 128 个物理寄存器，处理器动态地将前者映射到后者以解决假相关性。 重命名映射表（Register Renaming Table, Register Alias Table RAT） 用来保存已有的映射关系。它是一个表格，可以基于 SRAM/CAM 实现。 空闲寄存器列表（Free Register List） 用来记录哪些物理寄存器是空闲的。

实现方式有很多，概括有三种：

这三种方法各有优缺，现代处理器中均有采用，这些方法的本质都是要将 LR 在处理器执行的过程中动态映射到 RF 上。要实现重命名需要解决的问题有：