Чому вказівки x86-64 на 32-бітних регістрах дорівнюють нулю верхній частині повного 64-розрядного регістра?

У x86-64 екскурсії по посібниках Intel я читав

Мабуть, найдивовижніший факт полягає в тому, що така інструкція, як MOV EAX, EBXавтоматично нулює верхні 32 біти RAXрегістру.

Документація Intel (3.4.1.1 регістри загального призначення в 64-бітному режимі в посібнику з базової архітектури), цитована в тому ж джерелі, говорить нам:

• 64-бітні операнди генерують 64-розрядний результат у регістрі загального призначення призначення.
• 32-бітні операнди генерують 32-розрядний результат, розширений нулем до 64-розрядного результату в регістрі загального призначення призначення.
• 8-бітні та 16-бітні операнди генерують 8-бітний або 16-розрядний результат. Верхні 56 біт або 48 біт (відповідно) регістра загального призначення призначення не змінюються операцією. Якщо результат 8-бітної або 16-бітної операції призначений для обчислення 64-бітової адреси, явно підпишіть-розгорніть реєстр до повних 64-біт.

У складі x86-32 та x86-64 16-бітні інструкції, такі як

mov ax, bx

не показуйте такої "дивної" поведінки, що верхнє слово eax дорівнює нулю.

Таким чином: яка причина, чому така поведінка була введена? На перший погляд це здається нелогічним (але причина може бути в тому, що я звик до химерності складання x86-32).

Я не AMD або не виступаю за них, але я би зробив це так само. Оскільки обнулення високої половини не створює залежності від попереднього значення, CPU доведеться чекати. Механізм перейменування реєстру був би пошкоджений, якби це не було зроблено таким чином.

Таким чином, ви можете записувати швидкий код, використовуючи 32-розрядні значення в 64-бітному режимі, без необхідності весь час чітко розбивати залежності. Без такої поведінки кожна 32-розрядна інструкція в 64-бітному режимі повинна була б чекати на те, що відбулося раніше, хоча ця висока частина майже ніколи не буде використана. (Створення int64-розрядних даних втратить кеш-пам'ять і пропускну здатність пам'яті; x86-64 найбільш ефективно підтримує 32 та 64-бітні розміри операндів )

Дивна поведінка для 8 та 16-бітових розмірів операндів. Божевілля залежності є однією з причин того, що зараз уникають 16-бітних інструкцій. x86-64 успадкував це від 8086 для 8-бітових і 386 для 16-розрядних, і вирішив, щоб 8 і 16-бітні регістри працювали так само в 64-бітному режимі, як і в 32-бітному режимі.

Див. Також Чому GCC не використовує часткові регістри? для практичних деталей того, як записи до 8 та 16-бітових часткових регістрів (і наступних зчитувань повного реєстру) обробляються реальними процесорами.

Це просто економить місце в інструкціях та наборі інструкцій. Ви можете перемістити невеликі негайні значення до 64-розрядного реєстру, використовуючи існуючі (32-бітні) інструкції.

Це також позбавляє вас від необхідності кодувати 8 байтових значень для MOV RAX, 42, коли MOV EAX, 42їх можна повторно використовувати.

Ця оптимізація не настільки важлива для 8 та 16 бітових опцій (оскільки вони менші), а зміна правил там також порушить старий код.

Без нуля, що поширюється на 64 біти, це означатиме, що читання інструкцій із rax2-х залежностей для її raxоперанду (інструкція, що записує, eaxта інструкція, що пише до raxнеї), це означає, що 1) ROB повинен мати записи для кілька залежностей для одного операнда, що означає, що ROB вимагатиме більше логіки та транзисторів і займає більше місця, а виконання буде повільніше очікувати на непотрібну другу залежність, яка може зайняти віки для виконання; або як варіант 2), що, напевно, відбувається з 16-бітовими інструкціями, етап розподілу, ймовірно, зупиняється (тобто, якщо RAT має активний розподіл для axзапису і з'являється eaxзчитування, він зупиняється, поки axзапис не вийде з ладу).

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

Єдиною перевагою розширення, що не враховує нуль, є забезпечення raxвключення бітів більш високого порядку , наприклад, якщо він спочатку містить 0xffffffffffffffffffff, результатом буде 0xffffffff00000007, але ISA дуже мало причин робити цю гарантію за такі витрати, і більш імовірно, що користі від нульового розширення насправді потрібно більше, тому це економить додатковий рядок коду mov rax, 0. Гарантуючи, що він завжди буде нульовим до 64 біт, компілятори можуть працювати з цією аксіомою, маючи на увазі mov rdx, rax, raxлише дочекавшись своєї єдиної залежності, це означає, що він може приступити до швидшого виконання та вийти на пенсію, звільнивши одиниці виконання. Крім того, він також дозволяє більш ефективні нульові ідіоми, як xor eax, eaxнуль, raxне вимагаючи байт REX.