CMOV是如何提高CPU流水线性能的？

Question

我知道当一个分支很容易预测时，最好使用IF语句，因为分支是完全自由的。我了解到，如果分支不容易预测，那么CMOV会更好。但是，我不太明白如何实现这一点？

问题域肯定还是一样的——我们不知道下一条要执行的指令的地址？因此，我不明白在整个管道中，当执行CMOV时，它是如何帮助指令获取器（过去有10个CPU周期）选择正确的路径并防止管道暂停的？

有人能帮我了解一下CMOV是如何改进分支的吗？

Answer 1

有人能帮我了解一下CMOV是如何改进分支的吗？

好吧，它不会改善分支，而是删除它。CMOV可以看作是两个指令合二为一，一个是MOV和一个NOP。执行哪一个取决于标志。所以在内部它可能看起来像

if (cond) {
    mov dst, src
} else {
    nop
}

...

问题域肯定还是一样的——我们不知道下一条要执行的指令的地址？

嗯，不。下一条指令总是CMOV之后的指令，所以指令管道不会失效和重新加载（分支预测和其他优化被搁置一边）。这是一个连续的宏操作码流。下面是一个简单的例子

if (ecx==5)
    eax = TRUE
else
    eax = FALSE

在基本 asm 中：

cmp ecx,5      ; is ecx==5
jne unequal    ; what is the address of the next instruction? conditional branch
mov eax,TRUE   ; possibility one
jmp fin
unequal:       : possibility two
mov eax,FALSE
fin:
nop

和CMOV一起

cmp ecx,5
mov eax, FALSE   ; mov doesn't affect flags
mov ebx, TRUE    ; because CMOV doesn't take immediate src operands, use EBX for alternative
cmove eax, ebx   ; executes as MOV if zero-flag is set, otherwise as NOP
nop              ; always the next instruction, no pipeline stall

在现在的CPU上值得吗？一个明确的是。从我的经验来看，当然也取决于算法，速度的提高是显著的，值得努力。

Answer 2

CMOV 指令不指示控制流的路径。它们是执行以根据条件代码（即谓词指令）计算结果的指令。一些架构（如ARM）可以根据条件代码预测多种形式的指令，但x86只能执行“mov”，即条件移动（CMOV）。这些被解码，并以延迟执行，以确定指令的结果。

另一方面，分支是可预测的，实际上引导指令的执行。分支预测器“超前看”指令“提取器”，专门查找分支指令，并通过引导流来预测路径。想象一下铁路轨道，前方的人向左或向右移动轨道，告诉火车去哪里。现在，如果这个家伙选择了错误的方向，火车必须停下来，倒车，然后再次朝着正确的方向移动。浪费了很多时间。

另一方面，CMOV并不引导潮流。它们只是简单的指令，需要额外的时间（并产生额外的依赖关系）来根据条件代码找出移动的正确结果。想想火车，不是决定向左还是向右行驶，而是走一条不需要转弯的直线，但速度有点慢（显然要复杂得多，但这是我现在能想到的最好的）。

CMOV过去非常糟糕（延迟非常高），但后来改进得非常快，使其更可用，性能更值得。

希望这能有所帮助…