CMP + JE是否比單個MUL消耗更多的時鍾周期？

Question

我正在運行x86處理器，但我相信我的問題很籠統。 我對CMP + JE序列與單個MUL操作所消耗的時鍾周期的理論差異感到好奇。

在C偽代碼中：

unsigned foo = 1;    /* must be 0 or 1 */
unsigned num = 0;

/* Method 1: CMP + JE*/
if(foo == 1){
    num = 5;
}

/* Method 2: MUL */
num = foo*5;    /* num = 0 if foo = 0 */

不要太過深入地研究偽代碼，它純粹是在闡明這兩種方法背后的數學邏輯。

我實際比較的是以下兩個指令序列：

方法1：CMP + JE

    MOV EAX, 1    ; FOO = 1 here, but can be set to 0
    MOV EBX, 0    ; NUM = 0

    CMP EAX, 1    ; if(foo == 1)
    JE  SUCCESS   ; enter branch
    JMP FINISH    ; end program

SUCCESS:
    MOV EBX, 5    ; num = 5

FINISH:

方法2：MUL

    MOV EAX, 1    ; FOO = 1 here, but can be set to 0

    MOV ECX, EAX  ; save copy of FOO to ECX
    MUL ECX, 5    ; result = foo*5
    MOV EBX, ECX  ; num = result = foo*5

似乎單個MUL （總共4條指令）比CMP + JE （總共6條指令）效率更高，但是對於指令來說，時鍾周期的消耗是相等的-即，完成一條相同指令所需的時鍾周期數還有其他指示嗎？

如果實際消耗的時鍾周期取決於機器，那么單個MUL通常比大多數處理器上的分支方法快嗎，因為它需要的總指令更少？

Answer 1

現代的CPU性能比僅計算每條指令的周期數要復雜得多。 您需要（至少）考慮以下所有因素：

• 分支預測
• 指令重新排序
• 注冊重命名
• 指令緩存命中/未命中
• 數據緩存命中/未命中
• TLB未命中/頁面錯誤

所有這些都會受到周圍代碼的嚴重影響。

因此，從本質上講，幾乎不可能執行這樣的微基准測試並獲得有用的結果！

但是，如果我不得不猜測，我會說沒有JE的代碼通常會更有效，因為它消除了分支，從而簡化了分支預測行為。

Answer 2

通常，在現代x86處理器上， CMP和MUL指令都將占用一個整數執行單元一個周期（ CMP本質上是一個SUB ，它丟棄結果並僅修改標志寄存器）。 但是，現代x86處理器也具有流水線，超標量和亂序，這意味着性能不僅取決於此基礎周期成本。

如果不能很好地預測分支，則分支錯誤預測損失將淹沒其他因素，並且MUL版本的性能將明顯更好。

另一方面，如果可以很好地預測分支， 並且在隨后的計算中立即使用num ，則分支版本在平均情況下可能會表現更好。 那是因為當正確預測分支時，它可以使用比較結果num的預測值開始推測性地執行下一條指令（而在MUL情況下，隨后使用num將對MUL結果-在退出該結果之前將無法執行）。