เหตุใดคำแนะนำ x86-64 บน 32 บิตจึงลงทะเบียนส่วนบนของการลงทะเบียน 64 บิตแบบเต็มเป็นศูนย์

ในx86-64 Tour of Intel Manualsฉันอ่าน

บางทีความจริงที่น่าประหลาดใจที่สุดก็คือคำสั่งเช่นMOV EAX, EBXการRAXลงทะเบียน32 บิตบนเป็นศูนย์โดยอัตโนมัติ

เอกสารของ Intel (3.4.1.1 General-Purpose Registers ในโหมด 64 บิตในสถาปัตยกรรมพื้นฐานแบบแมนนวล) ที่อ้างถึงในแหล่งข้อมูลเดียวกันบอกเราว่า:

• ตัวถูกดำเนินการ 64 บิตสร้างผลลัพธ์ 64 บิตในการลงทะเบียนวัตถุประสงค์ทั่วไปปลายทาง
• ตัวถูกดำเนินการ 32 บิตสร้างผลลัพธ์ 32 บิตขยายศูนย์เป็นผลลัพธ์ 64 บิตในการลงทะเบียนวัตถุประสงค์ทั่วไปปลายทาง
• ตัวถูกดำเนินการ 8 บิตและ 16 บิตสร้างผลลัพธ์ 8 บิตหรือ 16 บิต 56 บิตด้านบนหรือ 48 บิต (ตามลำดับ) ของรีจิสเตอร์วัตถุประสงค์ทั่วไปปลายทางจะไม่ถูกแก้ไขโดยการดำเนินการ หากผลลัพธ์ของการดำเนินการ 8 บิตหรือ 16 บิตมีไว้สำหรับการคำนวณแอดเดรส 64 บิตให้ลงชื่อ - ขยายรีจิสเตอร์เป็น 64 บิตเต็ม

ในการประกอบ x86-32 และ x86-64 คำแนะนำ 16 บิตเช่น

mov ax, bx

อย่าแสดงพฤติกรรม "แปลก ๆ " แบบนี้ว่าคำบนของ eax เป็นศูนย์

ดังนั้น: อะไรคือสาเหตุที่ทำให้เกิดพฤติกรรมนี้? เมื่อมองแวบแรกดูเหมือนจะไร้เหตุผล (แต่เหตุผลอาจเป็นเพราะฉันคุ้นเคยกับการประกอบ x86-32)

ฉันไม่ใช่ AMD หรือพูดเพื่อพวกเขา แต่ฉันจะทำแบบเดียวกัน เนื่องจากการตั้งศูนย์ครึ่งสูงไม่ได้สร้างการพึ่งพาค่าก่อนหน้านี้ซีพียูจึงต้องรอ ทะเบียนเปลี่ยนชื่อกลไกหลักจะจะพ่ายแพ้ถ้ามันไม่ได้ทำวิธีการที่

ด้วยวิธีนี้คุณสามารถเขียนโค้ดอย่างรวดเร็วโดยใช้ค่า 32 บิตในโหมด 64 บิตโดยไม่ต้องทำลายการอ้างอิงอย่างชัดเจนตลอดเวลา หากไม่มีพฤติกรรมนี้คำสั่ง 32 บิตทุกคำสั่งในโหมด 64 บิตจะต้องรอสิ่งที่เกิดขึ้นก่อนแม้ว่าส่วนสูงนั้นแทบจะไม่เคยถูกใช้ก็ตาม (การทำint64 บิตจะเป็นการสิ้นเปลืองพื้นที่แคชและแบนด์วิดท์หน่วยความจำx86-64 รองรับขนาดตัวถูกดำเนินการ 32 และ 64 บิตอย่างมีประสิทธิภาพมากที่สุด )

ลักษณะการทำงานของขนาดตัวถูกดำเนินการ 8 และ 16 บิตเป็นสิ่งที่แปลก ความบ้าคลั่งในการพึ่งพาเป็นสาเหตุหนึ่งที่หลีกเลี่ยงคำแนะนำ 16 บิตในขณะนี้ x86-64 ได้รับสิ่งนี้มาจาก 8086 สำหรับ 8 บิตและ 386 สำหรับ 16 บิตและตัดสินใจให้รีจิสเตอร์ 8 และ 16 บิตทำงานในลักษณะเดียวกันในโหมด 64 บิตเหมือนกับที่ทำในโหมด 32 บิต

ดูเพิ่มเติมเหตุใด GCC จึงไม่ใช้การลงทะเบียนบางส่วน สำหรับรายละเอียดที่เป็นประโยชน์เกี่ยวกับวิธีการเขียนลงทะเบียนบางส่วน 8 และ 16 บิต (และการอ่านการลงทะเบียนแบบเต็มในภายหลัง) จะได้รับการจัดการโดย CPU จริง

เพียงแค่ประหยัดพื้นที่ในคำแนะนำและชุดคำสั่ง คุณสามารถย้ายค่าทันทีเล็กน้อยไปยังรีจิสเตอร์ 64 บิตโดยใช้คำแนะนำที่มีอยู่ (32 บิต)

นอกจากนี้ยังช่วยให้คุณไม่ต้องเข้ารหัสค่า 8 ไบต์สำหรับ MOV RAX, 42เมื่อMOV EAX, 42สามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้

การเพิ่มประสิทธิภาพนี้ไม่สำคัญสำหรับตัวเลือก 8 และ 16 บิต (เนื่องจากมีขนาดเล็กกว่า) และการเปลี่ยนกฎก็จะทำลายโค้ดเก่าด้วย

หากไม่มีศูนย์ขยายเป็น 64 บิตจะหมายถึงการอ่านคำสั่งจากraxจะมีการอ้างอิง 2 รายการสำหรับraxตัวถูกดำเนินการ (คำสั่งที่เขียนถึงeaxและคำสั่งที่เขียนraxก่อนหน้านั้น) หมายความว่า 1) ROB จะต้องมีรายการสำหรับ การพึ่งพาหลายตัวสำหรับตัวถูกดำเนินการเดียวซึ่งหมายความว่า ROB จะต้องใช้ลอจิกและทรานซิสเตอร์มากขึ้นและใช้พื้นที่มากขึ้นและการดำเนินการจะช้าลงในการรอการพึ่งพาครั้งที่สองที่ไม่จำเป็นซึ่งอาจใช้เวลานานในการดำเนินการ หรืออีกทางเลือกหนึ่ง 2) ซึ่งฉันคาดเดาว่าเกิดขึ้นพร้อมกับคำสั่ง 16 บิตขั้นตอนการจัดสรรอาจหยุดชะงัก (กล่าวคือถ้า RAT มีการจัดสรรที่ใช้งานอยู่สำหรับการaxเขียนและการeaxอ่านปรากฏขึ้นมันจะหยุดจนกว่าการaxเขียนจะหยุด)

mov rdx, 1
mov rax, 6
imul rax, rdx
mov rbx, rax
mov eax, 7 //retires before add rax, 6
mov rdx, rax // has to wait for both imul rax, rdx and mov eax, 7 to finish before dispatch to the execution units, even though the higher order bits are identical anyway

ประโยชน์เพียงอย่างเดียวของการไม่ขยายศูนย์คือการตรวจสอบให้แน่ใจว่าraxมีการรวมบิตคำสั่งซื้อที่สูงขึ้นเช่นหากเดิมมี 0xffffffffffffffff ผลลัพธ์จะเป็น 0xffffffff00000007 แต่ ISA มีเหตุผลน้อยมากที่จะให้การรับประกันนี้ด้วยค่าใช้จ่ายดังกล่าวและ mov rax, 0ก็มีแนวโน้มว่าผลประโยชน์ของการขยายศูนย์จะจริงจะต้องมากขึ้นดังนั้นมันจะช่วยประหยัดสายพิเศษของรหัส ด้วยการให้หลักประกันว่ามันจะถูกศูนย์ขยายไปถึง 64 บิตคอมไพเลอร์สามารถทำงานร่วมกับความจริงในใจในขณะที่mov rdx, rax, raxเท่านั้นที่มีการรอการพึ่งพาเดียวซึ่งหมายความว่ามันสามารถเริ่มดำเนินการได้เร็วขึ้นและออกพ้นขึ้นหน่วยปฏิบัติ นอกจากนี้ยังช่วยให้สำนวนศูนย์มีประสิทธิภาพมากขึ้นเช่นxor eax, eaxศูนย์raxโดยไม่ต้องใช้ไบต์ REX