相似指令吞吐量场景下CPU同周期多指令发射技术问询

前提说明 #

前提1：每条指令的吞吐量为每个时钟周期1条指令（该设定显然与事实不符，此处仅作假设）。

问题解答 #

1. 同周期发射ADDPS和SUBPS的可行性
   首先要明确，前提1里的「单指令单周期吞吐量」指的是同一条指令重复执行时的单周期最大吞吐上限，不是CPU整个前端的总发射上限。ADDPS（打包单精度浮点加）和SUBPS（打包单精度浮点减）属于同类型但不需要抢占同一执行资源的指令，主流x86架构CPU一般配备2~3个独立的浮点算术执行端口，只要两条指令没有数据依赖、发射队列有空余，完全可以在同一个时钟周期内同时发射甚至同时执行。

2. 整数指令的适用性
   该逻辑对整数指令完全适用。只要不同整数指令对应的执行端口不冲突，比如一条整数加法ADD和一条整数移位SHL分别分配到不同的整数ALU端口，就可以同周期发射。现在消费级通用CPU的整数发射宽度普遍达到4~6，无依赖的多整数指令同周期发射是非常常见的情况。

3. 同周期发射三条乘法指令的可行性
   MULLW（16位整数乘法取低16位）、MULHW（16位整数乘法取高16位）、MULHRSW（16位舍入乘法取高16位）三类指令都需要占用整数乘法执行单元资源。目前主流通用CPU通常仅配备1~2个独立的整数乘法端口，没有额外资源的前提下无法同时满足三条乘法指令的执行需求，因此不能同周期发射。但如果是专门的DSP架构，设计了足够多的乘法器阵列，三条指令同周期发射是可以实现的。

4. 前提2的影响
   这一问题取决于前提2的具体定义，从同类问题的常见设定来看，可能的影响机制包括：

• 如果前提2限定CPU单周期总发射宽度为1：无论指令类型、资源是否冲突，单周期都只能发射1条指令，上述所有多指令同发的场景都不成立。
• 如果前提2限定某类执行端口仅有1个：比如浮点算术端口仅1个，那ADDPS和SUBPS就需要抢占同一资源，无法同周期发射；如果整数乘法端口仅1个，三条乘法指令更不可能同发。
• 如果前提2限定指令之间存在数据依赖：只要后一条指令的输入依赖前一条指令的输出，不管端口资源多充足，都必须等前一条指令执行完成输出结果后才能发射，完全无法实现同周期发射。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者MrUnbelievable92