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问题：

我的CPU是否可以在每个CPU周期执行多个NOP？

衡子琪
2023-03-14

我写了一个简单的程序，在一个循环中执行一堆NOP指令，令我惊讶的是，它每秒执行大约106000000000条指令，或大约10Ghz，而我的CPU只有2.2GHz。

这怎么可能？CPU是将它们视为单个兆NOP，还是我刚刚发现“指令级并行性”是什么意思？

每秒指令的更好衡量标准是什么？添加指令仅达到414900000/s，是我CPU报告的bogomips的十分之一：4390.03

C代码：

#include <stdio.h>
#include <stdint.h>
#include <time.h>

#define ten(a) a a a a a a a a a a
#define hundred(a) ten(a) ten(a) ten(a) ten(a) ten(a) ten(a) ten(a) \
        ten(a) ten(a) ten(a)

#define ITER 10000000
int main(void) {
  uint64_t i=0;
  uint64_t t=time(NULL);
  while(1) {
    for(int j=0; j<ITER;j++) {
    hundred(asm volatile ("nop");)
    }
    i+=ITER*100;
    printf("%lu/%lu\n", i, time(NULL)-t);
  }
  return 0;
}

编译的程序集:

    .file   "gbloopinc.c"
    .section    .rodata
.LC0:
    .string "%lu/%lu\n"
    .text
    .globl  main
    .type   main, @function
main:
.LFB0:
    .cfi_startproc
    pushq   %rbp
    .cfi_def_cfa_offset 16
    .cfi_offset 6, -16
    movq    %rsp, %rbp
    .cfi_def_cfa_register 6
    subq    $32, %rsp
    movq    $0, -16(%rbp)
    movl    $0, %edi
    call    time
    movq    %rax, -8(%rbp)
.L4:
    movl    $0, -20(%rbp)
    jmp .L2
.L3:
#APP
# 15 "gbloopinc.c" 1
    nop
# 0 "" 2
# 15 "gbloopinc.c" 1
    nop
# 0 "" 2
# 15 "gbloopinc.c" 1
    nop
# 0 "" 2
# 15 "gbloopinc.c" 1
    nop
# 0 "" 2
# 15 "gbloopinc.c" 1
    nop
# 0 "" 2
# 15 "gbloopinc.c" 1
    nop
# 0 "" 2
# 15 "gbloopinc.c" 1
    nop
# 0 "" 2
# 15 "gbloopinc.c" 1
    nop
# 0 "" 2
# 15 "gbloopinc.c" 1
    nop
# 0 "" 2
# 15 "gbloopinc.c" 1
    nop
# 0 "" 2
# 15 "gbloopinc.c" 1
    nop
# 0 "" 2
# 15 "gbloopinc.c" 1
    nop
# 0 "" 2
# 15 "gbloopinc.c" 1
    nop
# 0 "" 2
# 15 "gbloopinc.c" 1
    nop
# 0 "" 2
# 15 "gbloopinc.c" 1
    nop
# 0 "" 2
# 15 "gbloopinc.c" 1
    nop
# 0 "" 2
# 15 "gbloopinc.c" 1
    nop
# 0 "" 2
# 15 "gbloopinc.c" 1
    nop
# 0 "" 2
# 15 "gbloopinc.c" 1
    nop
# 0 "" 2
# 15 "gbloopinc.c" 1
    nop
# 0 "" 2
# 15 "gbloopinc.c" 1
    nop
# 0 "" 2
# 15 "gbloopinc.c" 1
    nop
# 0 "" 2
# 15 "gbloopinc.c" 1
    nop
# 0 "" 2
# 15 "gbloopinc.c" 1
    nop
# 0 "" 2
# 15 "gbloopinc.c" 1
    nop
# 0 "" 2
# 15 "gbloopinc.c" 1
    nop
# 0 "" 2
# 15 "gbloopinc.c" 1
    nop
# 0 "" 2
# 15 "gbloopinc.c" 1
    nop
# 0 "" 2
# 15 "gbloopinc.c" 1
    nop
# 0 "" 2
# 15 "gbloopinc.c" 1
    nop
# 0 "" 2
# 15 "gbloopinc.c" 1
    nop
# 0 "" 2
# 15 "gbloopinc.c" 1
    nop
# 0 "" 2
# 15 "gbloopinc.c" 1
    nop
# 0 "" 2
# 15 "gbloopinc.c" 1
    nop
# 0 "" 2
# 15 "gbloopinc.c" 1
    nop
# 0 "" 2
# 15 "gbloopinc.c" 1
    nop
# 0 "" 2
# 15 "gbloopinc.c" 1
    nop
# 0 "" 2
# 15 "gbloopinc.c" 1
    nop
# 0 "" 2
# 15 "gbloopinc.c" 1
    nop
# 0 "" 2
# 15 "gbloopinc.c" 1
    nop
# 0 "" 2
# 15 "gbloopinc.c" 1
    nop
# 0 "" 2
# 15 "gbloopinc.c" 1
    nop
# 0 "" 2
# 15 "gbloopinc.c" 1
    nop
# 0 "" 2
# 15 "gbloopinc.c" 1
    nop
# 0 "" 2
# 15 "gbloopinc.c" 1
    nop
# 0 "" 2
# 15 "gbloopinc.c" 1
    nop
# 0 "" 2
# 15 "gbloopinc.c" 1
    nop
# 0 "" 2
# 15 "gbloopinc.c" 1
    nop
# 0 "" 2
# 15 "gbloopinc.c" 1
    nop
# 0 "" 2
# 15 "gbloopinc.c" 1
    nop
# 0 "" 2
# 15 "gbloopinc.c" 1
    nop
# 0 "" 2
# 15 "gbloopinc.c" 1
    nop
# 0 "" 2
# 15 "gbloopinc.c" 1
    nop
# 0 "" 2
# 15 "gbloopinc.c" 1
    nop
# 0 "" 2
# 15 "gbloopinc.c" 1
    nop
# 0 "" 2
# 15 "gbloopinc.c" 1
    nop
# 0 "" 2
# 15 "gbloopinc.c" 1
    nop
# 0 "" 2
# 15 "gbloopinc.c" 1
    nop
# 0 "" 2
# 15 "gbloopinc.c" 1
    nop
# 0 "" 2
# 15 "gbloopinc.c" 1
    nop
# 0 "" 2
# 15 "gbloopinc.c" 1
    nop
# 0 "" 2
# 15 "gbloopinc.c" 1
    nop
# 0 "" 2
# 15 "gbloopinc.c" 1
    nop
# 0 "" 2
# 15 "gbloopinc.c" 1
    nop
# 0 "" 2
# 15 "gbloopinc.c" 1
    nop
# 0 "" 2
# 15 "gbloopinc.c" 1
    nop
# 0 "" 2
# 15 "gbloopinc.c" 1
    nop
# 0 "" 2
# 15 "gbloopinc.c" 1
    nop
# 0 "" 2
# 15 "gbloopinc.c" 1
    nop
# 0 "" 2
# 15 "gbloopinc.c" 1
    nop
# 0 "" 2
# 15 "gbloopinc.c" 1
    nop
# 0 "" 2
# 15 "gbloopinc.c" 1
    nop
# 0 "" 2
# 15 "gbloopinc.c" 1
    nop
# 0 "" 2
# 15 "gbloopinc.c" 1
    nop
# 0 "" 2
# 15 "gbloopinc.c" 1
    nop
# 0 "" 2
# 15 "gbloopinc.c" 1
    nop
# 0 "" 2
# 15 "gbloopinc.c" 1
    nop
# 0 "" 2
# 15 "gbloopinc.c" 1
    nop
# 0 "" 2
# 15 "gbloopinc.c" 1
    nop
# 0 "" 2
# 15 "gbloopinc.c" 1
    nop
# 0 "" 2
# 15 "gbloopinc.c" 1
    nop
# 0 "" 2
# 15 "gbloopinc.c" 1
    nop
# 0 "" 2
# 15 "gbloopinc.c" 1
    nop
# 0 "" 2
# 15 "gbloopinc.c" 1
    nop
# 0 "" 2
# 15 "gbloopinc.c" 1
    nop
# 0 "" 2
# 15 "gbloopinc.c" 1
    nop
# 0 "" 2
# 15 "gbloopinc.c" 1
    nop
# 0 "" 2
# 15 "gbloopinc.c" 1
    nop
# 0 "" 2
# 15 "gbloopinc.c" 1
    nop
# 0 "" 2
# 15 "gbloopinc.c" 1
    nop
# 0 "" 2
# 15 "gbloopinc.c" 1
    nop
# 0 "" 2
# 15 "gbloopinc.c" 1
    nop
# 0 "" 2
# 15 "gbloopinc.c" 1
    nop
# 0 "" 2
# 15 "gbloopinc.c" 1
    nop
# 0 "" 2
# 15 "gbloopinc.c" 1
    nop
# 0 "" 2
# 15 "gbloopinc.c" 1
    nop
# 0 "" 2
# 15 "gbloopinc.c" 1
    nop
# 0 "" 2
# 15 "gbloopinc.c" 1
    nop
# 0 "" 2
# 15 "gbloopinc.c" 1
    nop
# 0 "" 2
# 15 "gbloopinc.c" 1
    nop
# 0 "" 2
#NO_APP
    addl    $1, -20(%rbp)
.L2:
    cmpl    $9999999, -20(%rbp)
    jle .L3
    addq    $1000000000, -16(%rbp)
    movl    $0, %edi
    call    time
    subq    -8(%rbp), %rax
    movq    %rax, %rdx
    movq    -16(%rbp), %rax
    movq    %rax, %rsi
    movl    $.LC0, %edi
    movl    $0, %eax
    call    printf
    jmp .L4
    .cfi_endproc
.LFE0:
    .size   main, .-main
    .ident  "GCC: (Ubuntu 5.4.0-6ubuntu1~16.04.2) 5.4.0 20160609"
    .section    .note.GNU-stack,"",@progbits

共有2个答案

陈瀚玥
2023-03-14

我将进一步阐述汉帕桑的评论。

现代处理器既是超标量的，也是多核的。很容易理解什么是多核处理器 - 它具有多个内核。另一方面，Superscalar需要更多关于硬件的知识。这是一个堆栈交换问题，解释了处理器超标量意味着什么。超标量处理器在同一内核中具有许多功能单元，并且大量流水线化。这就是为什么可以在单个内核中同时调度和运行多个指令的原因。以下是处理器中的一些功能单元：整数加法/减法，浮点乘法，浮点除法，整数乘法，整数除法。

我鼓励您Google更多关于超标量处理器的信息，并特别查找有关您的处理器的更多信息。

魏彦
2023-03-14

这和多核无关。核心不是“端口”。

每个时钟 4 个 NOP 是超标量/无序 CPU 的问题/停用管道宽度。NOP甚至不需要执行单元/执行端口（ALU或加载或存储），因此您甚至不受整数执行单元数量的限制。即使是Core2（英特尔的第一个4宽x86 CPU）也可以运行每个时钟4 NOP。

正如您所猜测的，这是指令级并行性的一个示例。NOP当然没有输入依赖性。

在您的Sandybridge CPU（每个内核有3个ALU执行单元）上，每个时钟可以运行3个ADD和一个load或store指令，因为它的流水线宽度是4 uOS。请参阅Agner Fog的Microch pdf和x86标签wiki中的其他链接。在独立的ADD指令流上，如

add  eax, eax
add  ebx, ebx
add  ecx, ecx
add  edx, edx
...

在SnB上，每个时钟的吞吐量大约为3个，在整数ALU执行端口上，这是瓶颈。Haswell可以在每个时钟上运行4次加法，因为它有第四个ALU执行端口，可以处理非矢量整数运算（和分支）。

无序CPU通常比执行单元的数量具有更宽的前端和发出/收回宽度。一有空闲的执行单元，就有更多的指令被解码并准备好执行，这提高了它们的利用率。否则，如果执行由于串行依赖性而停止或变慢，无序机器只能提前看到当前正在执行的内容。(例如< code>add eax，eax / add eax，eax需要第一个add的输出作为第二个add的输入，所以每个时钟只能运行一个insn。)

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