计算机体系结构：精确例外与ROB详解
计算机体系结构：精确例外与ROB详解
在计算机体系结构中，精确例外和重排序缓冲区（ROB）是两个重要的概念，它们对于实现高性能的处理器设计至关重要。本文将详细介绍这两个概念及其在现代处理器中的应用。
1 精确例外
在之前提到的Tomasulo算法中，由于采用了非精确的例外处理机制，一旦发生例外，硬件很难处理乱序执行的指令序列。操作系统需要处理器提供精确例外机制，以确保在处理例外时，所有在发生例外指令之前的指令都已经执行完毕，而例外指令之后的所有指令都尚未执行。
精确例外：指在处理例外的时候，发生例外指令之前所有的指令都已经执行完了，例外指令后面的所有指令都还没执行。
为了解决这个问题，需要扩展Tomasulo算法来支持推测执行。具体来说，就是将指令结果的旁路从实际完成操作中分离出来。这样可以允许一条指令执行并将其结果旁路给其他指令，但不允许这条指令执行任何不能撤销的更新操作，直到确认这条指令不再具有不确定性为止。简单来说，就是增加一个缓冲区暂时存放结果，直到这个数据不再更新，再写回寄存器堆。
2 重排序缓冲区（ROB)
重排序缓冲区（ROB）类似于Tomasulo算法通过保留站扩展寄存器集的方式，提供了额外的寄存器资源。ROB会在一定时间内保存指令的结果，这段时间从与指令相关的运算完成开始，到该指令提交完毕为止。
提交（commit）：就是在流水线中增加了一个commit阶段，只有在这个阶段才能真正修改计算机的状态。其他时候都是修改ROB中的值。
现在指令的执行步骤分为四步：发射、执行、写结果和提交。
2.1 ROB包含的内容
ROB中的每个项目包含4个字段：
- 指令类型：分支指令、存储指令、寄存器操作指令
- 目的地字段：提供写入结果的寄存器编号
- 值字段：在提交指令前保存指令结果
- 就绪字段：指令已经完成执行，结果值准备就绪
2.2 增加了ROB的流水线结构
2.3 提交（commit）阶段详解
利用ROB实现了乱序执行后的有序结束，防止在指令提交之前采取任何不可撤销的动作。当一个指令到达ROB的头部而且其结果出现在缓冲区中时，则正常提交，此时处理器用结果更新其寄存器，并从ROB中清除该指令。
当预测错误的分支指令到达ROB头部时，它指出推测是错误的。那么ROB被清空，执行过程从该分支的正确后续指令重新开始。如果对该分支的预测正确，则该分支完成提交。
指令一旦提交完毕，它在ROB的相应项将被收回，寄存器或存储器目的地址将被更新，并且不再需要ROB项。
任意一条指令发生例外，就清除操作队列以及ROB，保证了现场的干净，因为在例外之前的指令都已经执行完毕，而后面的指令都未执行（未把结果写回）。
2.4 流水线执行情况详解
3 总结
精确例外和ROB机制共同实现了"有序发射、乱序执行、有序结束"的处理器设计目标，这对于提高处理器的性能和效率至关重要。