超标量处理器ROB的理解

ROB是超标量处理器内部的一个硬件部件，一般是一个FIFO的队列，进入处理器的指令顺序
进入ROB，所以ROB里的指令顺序就是处理器内部指令的年龄顺序。注意，这里说的进入处理器
内部的指令就包括投机执行的指令，这个和软件看到的正常执行的指令是不一样的。

  young                                          old
+--------+--------+--------+--------+--------+--------+
| insn_6 | insn_5 | insn_4 | insn_3 | insn_2 | insn_1 |
+--------+--------+--------+--------+--------+--------+

如上指令按照insn_1->insn_6的顺序顺序进入ROB，正常执行完的指令按照同样的顺序离开
ROB，也就离开了处理器。

但是，ROB里的指令也可能不按照先入先出的顺序离开，当投机执行错误，需要flush掉指令
时，处理器会抹去最年轻一段指令，这时就是年轻指令先离开。其中典型的例子就是分支预
测错了，比如上面insn_4是一个分支指令，某个时刻发现insn_4的分支预测做错了，也就是
insn_5/6取错了，那就要把insn_5/6从ROB里去掉，新取入的指令(insn_7/8)占据insn_5/6
的位置。

  young                                          old
+--------+--------+--------+--------+--------+--------+
|        |        | insn_4 | insn_3 | insn_2 | insn_1 |
+--------+--------+--------+--------+--------+--------+
 |
 V
+--------+--------+--------+--------+--------+--------+
| insn_8 | insn_7 | insn_4 | insn_3 | insn_2 | insn_1 |
+--------+--------+--------+--------+--------+--------+

硬件里各个部件是并行在运行的(软件工程师有时会忽略这一点)，有哪些在同步操作ROB的硬
件部件呢？具体行为又是怎么样的？

• 指令进入ROB

指令rename后就会根据ROB上的指令进入点标记(allocate)写入ROB。

• 指令正常离开ROB

控制指令退休的部件(一般就是ROB自己控制)在一拍中要检测指令可以退休，如下commit位置
表示待提交指令的位置，如果处理器一拍可以提交两条指令，insn2/1又都满足退休条件，
insn2/1就可以都在这一拍里被提交，提交后的指令状态为retired，相当于离开了流水线，
指令对寄存器和内存(cache)的改动也变成外部可见。

• 指令被flush离开ROB

指令被flush离开流水线需要对流水线中很多部件做flush操作，清空里面和被flush指令相关
的信息，ROB是其中一个需要被flush的硬件部件，这里对ROB的操作主要就是更新ROB上指令
进入点的标记。可见flush指令会和指令进入ROB存在同步问题，逻辑上应该先flush掉ROB中
的指令再把新指令写入ROB。

  young                                                            old
+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+
|        |        | insn_4 | insn_3 | insn_2 | insn_1 | insn_x | insn_y |
+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+
             ^                          ^                  ^
          allocate                    commit            retired

ROB里allocate和commit之间(包括commit)的指令是当前正在处理器里执行的指令，这些指令
可能正在等资源，可能正在执行，也可能已经执行完毕正在等退休，但是这些指令的都是投机
执行的，在commit阶段处理器判断是正确执行的指令才可以退休。当这些正在处理器里运行的
指令在某个状态发现投机不对时就会触发指令的flush。