提高 CPU 流水线性能的 CMOV 是什么？

Question

我了解当一个分支很容易预测时，最好使用 IF 语句，因为该分支是完全免费的。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——我们不知道下一条要执行的指令的地址？所以我不明白在执行 CMOV 时，如何在管道的整个过程中帮助指令提取器（过去 10 个 CPU 周期）选择正确的路径并防止管道停止？

有人可以帮助我了解 CMOV 如何改进分支吗？

Answer 1

CMOV 指令不指导控制流的路径。它们是执行以根据条件代码计算结果的指令，即谓词指令。一些架构（如ARM）可以根据条件码断言多种形式的指令，但x86只能做“mov”，即条件移动（CMOV）。这些被解码并延迟执行以确定指令的结果。

另一方面，分支被预测并实际控制指令的执行。分支预测器“向前看”指令“提取器”，专门寻找分支指令，并通过引导流程来预测路径。想象一条铁轨，前面的人将铁轨向左或向右移动，以告诉火车去哪里。现在，如果那个人选错了方向，火车必须停下来，倒车，然后再朝正确的方向移动。浪费了很多时间。

另一方面，CMOV 不会引导流程。它们只是指令需要额外的时间（并创建额外的依赖项）来根据条件代码找出正确的移动结果。想想火车，而不是决定向左或向右走，而是走一条不需要转弯的直线路径，但速度有点慢（显然方式更复杂，但这是我现在能想到的最好的）。

CMOV 曾经非常糟糕（非常高的延迟），但后来改进为相当快，使它们更加可用和性能更佳。

希望这会有所帮助..

Answer 2

有人可以帮助我了解 CMOV 如何改进分支吗？

嗯，它不会改善分支，它会删除它。 CMOV 可以看作是两条指令合二为一，一条 MOV 和一条 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——我们不知道下一条要执行的指令的地址？

嗯，不。下一条指令始终是 CMOV 之后的指令，因此指令流水线不会失效和重新加载（分支预测和其他优化暂且不谈）。它是宏操作码的一个连续流。下面是一个简单的例子

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

在基本汇编中：

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

使用 CMOV

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

在当前的 CPU 上是否值得？一个明确的“是”。根据我的经验和（当然）取决于算法，速度提升是显着的，值得付出努力。