Mengapa instruksi x86-64 pada register 32-bit membubarkan bagian atas register 64-bit penuh?

Dalam Tour Manual Intel x86-64 , saya membaca

Mungkin fakta yang paling mengejutkan adalah bahwa instruksi seperti MOV EAX, EBXsecara otomatis nol di atas 32 bit RAXregister.

Dokumentasi Intel (3.4.1.1 Register Tujuan Umum dalam Mode 64-Bit dalam Arsitektur Dasar manual) yang dikutip dari sumber yang sama memberi tahu kita:

• Operand 64-bit menghasilkan hasil 64-bit di register tujuan umum.
• Operand 32-bit menghasilkan hasil 32-bit, hasil perluasan nol ke 64-bit dalam register tujuan umum tujuan.
• Operand 8-bit dan 16-bit menghasilkan hasil 8-bit atau 16-bit. 56 bit atas atau 48 bit (masing-masing) dari register tujuan umum tujuan tidak dimodifikasi oleh operasi. Jika hasil dari operasi 8-bit atau 16-bit dimaksudkan untuk kalkulasi alamat 64-bit, secara eksplisit tandatangani-perpanjang register ke 64-bit penuh.

Dalam perakitan x86-32 dan x86-64, instruksi 16 bit seperti

mov ax, bx

jangan perlihatkan perilaku "aneh" seperti ini yang kata atas eax di nol.

Jadi: apa alasan mengapa perilaku ini diperkenalkan? Sekilas sepertinya tidak masuk akal (tetapi alasannya mungkin karena saya terbiasa dengan kebiasaan perakitan x86-32).

Saya bukan AMD atau berbicara untuk mereka, tetapi saya akan melakukannya dengan cara yang sama. Karena memusatkan perhatian pada separuh tinggi tidak membuat ketergantungan pada nilai sebelumnya, CPU harus menunggu. The mendaftar mengubah nama Mekanisme akan dasarnya dikalahkan jika hal itu tidak dilakukan dengan cara itu.

Dengan cara ini Anda dapat menulis kode cepat menggunakan nilai 32-bit dalam mode 64-bit tanpa harus secara eksplisit memutuskan dependensi sepanjang waktu. Tanpa perilaku ini, setiap instruksi 32-bit dalam mode 64-bit harus menunggu sesuatu yang terjadi sebelumnya, meskipun bagian yang tinggi itu hampir tidak akan pernah digunakan. (Membuat int64-bit akan membuang jejak cache dan bandwidth memori; x86-64 paling efisien mendukung ukuran operan 32 dan 64-bit )

Perilaku untuk ukuran operan 8 dan 16-bit adalah yang aneh. Kegilaan ketergantungan adalah salah satu alasan mengapa instruksi 16-bit dihindari sekarang. x86-64 mewarisi ini dari 8086 untuk 8-bit dan 386 untuk 16-bit, dan memutuskan untuk memiliki register 8 dan 16-bit bekerja dengan cara yang sama dalam mode 64-bit seperti yang mereka lakukan dalam mode 32-bit.

Lihat juga Mengapa GCC tidak menggunakan register parsial? untuk detail praktis tentang bagaimana penulisan ke register parsial 8 dan 16-bit (dan pembacaan register lengkap selanjutnya) ditangani oleh CPU sebenarnya.

Ini hanya menghemat ruang dalam instruksi, dan set instruksi. Anda dapat memindahkan nilai kecil langsung ke register 64-bit dengan menggunakan instruksi (32-bit) yang ada.

Ini juga menghindarkan Anda dari keharusan mengenkode nilai 8 byte MOV RAX, 42, ketika MOV EAX, 42dapat digunakan kembali.

Pengoptimalan ini tidak begitu penting untuk operasi 8 dan 16 bit (karena lebih kecil), dan mengubah aturan di sana juga akan merusak kode lama.

Tanpa nol yang meluas ke 64 bit, itu berarti pembacaan instruksi dari raxakan memiliki 2 dependensi untuk raxoperannya (instruksi yang menulis ke eaxdan instruksi yang menulis ke raxsebelumnya), ini berarti bahwa 1) ROB harus memiliki entri untuk beberapa dependensi untuk satu operand, yang berarti ROB akan membutuhkan lebih banyak logika dan transistor serta membutuhkan lebih banyak ruang, dan eksekusi akan lebih lambat menunggu dependensi kedua yang tidak perlu yang mungkin membutuhkan waktu lama untuk dieksekusi; atau alternatifnya 2), yang saya duga terjadi dengan instruksi 16 bit, tahap alokasi mungkin terhenti (yaitu jika RAT memiliki alokasi aktif untuk axpenulisan dan eaxpembacaan muncul, berhenti sampai axpenulisan dihentikan).

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

Satu-satunya keuntungan dari bukan zero extending adalah memastikan bit urutan yang lebih tinggi raxdisertakan, misalnya, jika aslinya berisi 0xffffffffffffffff, hasilnya adalah 0xffffffff00000007, tetapi ada sedikit alasan bagi ISA untuk membuat jaminan ini dengan biaya seperti itu, dan kemungkinan besar manfaat ekstensi nol sebenarnya lebih dibutuhkan, jadi ini menghemat baris kode tambahan mov rax, 0. Dengan menjamin itu akan selalu nol diperpanjang hingga 64 bit, kompiler dapat bekerja dengan aksioma ini dalam pikiran sementara di mov rdx, rax, raxhanya harus menunggu ketergantungan tunggal, yang berarti dapat memulai eksekusi lebih cepat dan berhenti, membebaskan unit eksekusi. Selain itu, ini juga memungkinkan idiom nol yang lebih efisien seperti xor eax, eaxnol raxtanpa memerlukan byte REX.