超标量架构 (Superscalar)

定义

超标量(Superscalar)架构指处理器在一个时钟周期内可以取指、译码、发射多条指令,并交由多个并行的执行单元同时执行,使IPC(每周期指令数)超过1。

原理

超标量处理器的前端每周期取出多条指令,经译码后由发射逻辑检查数据相关与结构冲突,将互不冲突的指令分派到整数、浮点、访存等多个功能单元。它通常与分支预测、寄存器重命名、乱序执行配合,以找到足够多可并行的指令。衡量宽度的指标是"几发射"(issue width),现代高性能核心普遍为4至8发射以上。

与相关概念的区别

流水线是把一条指令的执行切成多个阶段重叠进行,超标量则是横向复制通路,两者通常同时使用;与VLIW不同,超标量由硬件在运行时动态发现并行性,对编译器依赖较小。

优缺点

优点是显著提升单线程性能且兼容既有软件;缺点是发射宽度增加带来的收益递减,依赖检查和调度逻辑的复杂度、面积、功耗都会快速上升。