超标量处理器设计：重排序缓存(ROB)

★超标量处理器的很多地方用到了重排序缓存，但是我对它不是很了解，所以我整理一下重排序缓存的知识点。

重排序缓存(ROB)在确保乱序执行的指令能够正确地完成和提交(Commit)，也可以用来寄存器重命名。

ROB是一个先进先出的表，每个项是ROB表项，可以记录指令执行的信息。

ROB表项的字段

（1）Complete： 标志位，用来标记指令是否已经完成执行阶段。当指令的所有操作（包括计算、访存等）都完成，标志就会被置为“是”，指令准备好进入退休阶段。

（2）Areg：指令在程序代码中指定的目的寄存器(逻辑寄存器)。

（3）Preg：物理寄存器的编号，经过寄存器重命名后指令实际使用的物理寄存器。

（4）OPreg：Old Physical Register，记录Areg在被重命名到当前Preg之前所对应的物理寄存器编号。在指令因异常需要回滚恢复状态时，OPreg用于指向应该恢复的物理寄存器状态，确保异常处理后的状态正确。

（5）PC：指令的程序计数器(PC)值。当指令执行过程中遇到中断时，保存这个PC能够从正确的点重新开始执行程序。

（6）Exception：如果指令执行中触发了异常，字段会记录异常的类型。指令即将退休时，处理器会根据异常类型执行相应的处理逻辑，可能是中止指令执行、恢复现场或是执行特定的异常处理程序。

（7）Type：记录指令的类型，如算术逻辑运算、加载、存储、跳转等。指令退休时，处理器会依据不同的指令类型执行相应的动作，比如存储指令需要把结果写入数据缓存（D-Cache），分支指令则可能需要清理预测执行的痕迹（如恢复检查点资源)。

ROB工作原理

分发(Dispatch)阶段

指令从指令队列或解码阶段被取出，进入流水线执行。每个指令在进入流水线时，会在ROB中分配一个唯一的表项(Entry)。表项会记录该指令的初始状态。将complete状态位设为0，表示指令尚未执行完成。同时，指令的目的寄存器信息、PC值等也会被记录下来。

执行（Execution）阶段

指令在执行阶段完成计算后，将complete状态位设为1，该指令已经执行完毕，计算结果可能被暂时存储在ROB中或直接写入物理寄存器堆(PRF)。如果执行过程中发生异常，异常类型也会被记录在ROB对应的表项中，但异常的实际处理被推迟到提交阶段。

异常与退休（Exception & Commit）阶段

所有对程序状态的最终更改，包括结果的写回、异常处理，都发生在提交阶段。只有当指令的complete状态为1，且所有先前的指令（在程序顺序上）也已正确执行并退休时，该指令才能退休。计算结果根据Areg和Preg信息被写入到寄存器或内存中。

若存在异常，处理器会根据ROB中记录的异常类型进行相应处理，可能包括恢复现场、跳转到异常处理程序等。

ROB工作例子

所以ROB就是一个先进先出的队列，当后面的指令执行完必须等到前面的执行完才可以退休。