LLVM-MCA中首条vhaddps指令无法在第二周期执行的原因探究

指令序列 #

vmulps      %xmm0, %xmm1, %xmm2
vhaddps     %xmm2, %xmm2, %xmm3
vhaddps     %xmm3, %xmm3, %xmm4

3次迭代模拟状态转换 #

[0,0]     DeeER.    .    .   vmulps   %xmm0, %xmm1, %xmm2
[0,1]     D==eeeER  .    .   vhaddps  %xmm2, %xmm2, %xmm3
[0,2]     .D====eeeER    .   vhaddps  %xmm3, %xmm3, %xmm4
[1,0]     .DeeE-----R    .   vmulps   %xmm0, %xmm1, %xmm2
[1,1]     . D=eeeE---R   .   vhaddps  %xmm2, %xmm2, %xmm3
[1,2]     . D====eeeER   .   vhaddps  %xmm3, %xmm3, %xmm4
[2,0]     .  DeeE-----R  .   vmulps   %xmm0, %xmm1, %xmm2
[2,1]     .  D====eeeER  .   vhaddps  %xmm2, %xmm2, %xmm3
[2,2]     .   D======eeeER   vhaddps  %xmm3, %xmm3, %xmm4

状态说明：

• D：指令分发
• e：执行中
• E：执行结束
• R：指令提交
• =：已分发等待执行
• -：等待提交

问题解析 #

你忽略了真数据依赖：第一条vhaddps的源操作数是%xmm2，而%xmm2正是前一条vmulps的目标寄存器。

虽然乘法和加法使用的执行单元（JFPM/JFPU1 vs JFPA/JFPU0）完全独立，但vhaddps要开始执行，必须等到vmulps把计算结果写入%xmm2之后——这是硬数据依赖，和执行单元是否空闲无关。

从状态序列看：

• vmulps的执行周期是2个（ee），直到第三个周期才到达E（执行结束，数据写回寄存器堆）。
• 第一条vhaddps虽然在第0周期就完成了分发（D），但必须等到vmulps完成数据写回，也就是第2周期之后才能进入执行阶段（eee），所以中间出现了两个=等待状态。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者fabian