《大话处理器》连载——微架构(15) 寄存器重命名

寄存器不能随便改名字，否则原来的数据依赖关系被打乱，会导致错误的执行结果，那么怎样才能既保留原先的数据依赖关系，又能将没有数据依赖性的指令的寄存器改名字呢？

这里介绍一种在处理器中经常实现的策略：

1. 将每条指令的目的寄存器映射到新的物理寄存器；

2. 指令的源寄存器映射为ISA寄存器最近映射到的那个物理寄存器；

3. 当本条指令完成后，该目的寄存器映射的更早的物理寄存器就可以释放了；

文字还是太抽象，看图有真相：



寄存器重名示例

在这个例子中，指令的第一个寄存器是目的寄存器，后2个是源寄存器，R1，R2，R3，R4是ISA寄存器，F1….F16是物理寄存器。

R1，R2，R3，R4一开始被映射到F1，F2，F3，F4，第1条指令的目的寄存器是R3，因此将R3重新映射到F5，图中的粗体表示对目的寄存器重新映射。第2条指令的源操作数需要访问R3，就使用R3的最新映射值——F5，这样就保证了指令2和指令1的数据相关性。

指令3和指令2有反相关，将指令3的R2映射为F7，这样指令3和指令2就没有相关性了，即使指令3在指令2前面执行，也不会影响指令2的结果。

指令4和指令3有输出相关，经过寄存器重命名后，指令4和指令3的R2分别对应不同的物理寄存器，它们之间的相关性就去除了。

同样的原理，指令4和指令5的相关性被保留。

如果按照这种方式映射下去，物理寄存器自然会被使用完。因此，需要实时的释放，已备重新分配。R4一开始映射到F4，当第2条指令执行完成后，R4的值就在F6中了，以后访问R4时，都会使用最新的F6，而不会使用F4，这样F4就可以被释放了。

在这种策略中，指令完全不需要访问ISA寄存器，只需要访问物理寄存器。