如果CPU是一台二进制机器，为什么它的比特操作速度慢

Question

我发现x86 CPU在处理二进制操作指令(如SHR、BT、BTR、ROL等)时速度非常慢，这与它的二进制/双状态性质相反。

例如，我从某个地方读到，比特移位/旋转超过1个位置被认为是缓慢的(具有高延迟、性能损失和那些可怕的东西)。当操作数在内存中时，情况会更糟(内存不是双状态外设吗？)

shl eax,1  ;ok
shl eax,7  ;slow?

那么是什么让它们变慢了呢？具有讽刺意味的是，像CPU这样的二进制机器在比特操作上很慢，而这种操作本应是自然的。它给人的印象是二进制CPU很难将位移位到位！

编辑：现在再看一眼手册中的SHL条目，它确实涉及到一些沉重的微码逻辑！

从英特尔shl第2卷手册。。。

Operation
TemporaryCount = Count & 0x1F;
TemporaryDestination = Destination;
while(TemporaryCount != 0) {
if(Instruction == SAL || Instruction == SHL) {
CF = MSB(Destination);
Destination = Destination << 1;
}
//instruction is SAR or SHR
else {
CF = LSB(Destination);
if(Instruction == SAR) Destination = Destination / 2; //Signed divide, rounding toward negative infinity
//Instruction is SHR
else Destination = Destination / 2; //Unsigned divide
}
TemporaryCount = TemporaryCount - 1;
}
//Determine overflow
if(Count & 0x1F == 1) {
if(Instruction == SAL || Instruction == SHL) OF = MSB(Destination) ^ CF;
else if(Instruction == SAR) OF = 0;
//Instruction == SHR
else OF = MSB(TemporaryDestination);
}
else OF = Undefined;

难以置信的是，看到这样一个简单的布尔代数变成了一场实现噩梦。

Answer 1

这只是指令的伪代码，确切地指定了它的作用。该指令实际上并不是这样实现的。在实践中，所有现代CPU都有桶形移位器或类似的移位器，允许它们在一个周期内移位任意量。例如，参见Agner Fog的表，其中显示了几乎所有位篡改指令的延迟为1。

一些篡改指令比较慢，下面是一些例子：

• bt、btr、bts和btc在与内存操作数一起使用时较慢，因为它们执行(a)读取-修改-写入操作和(b)位串索引
• 具有大于1的旋转量的rcr是缓慢的，因为该指令几乎从不需要，因此没有被优化
• pdep和pext在Intel上稍慢，在AMD上慢得多，可能是因为它们的实现非常复杂，并且将实现拆分会更容易

在旧的处理器(比如8086)上，CPU将占用与移位量一样多的周期，每个周期进行一次移位。这种实现方式允许ALU在没有任何额外硬件的情况下用于移位，从而减少了处理器所需的门的数量。据我所知，没有一个现代CPU具有这种性能行为。

Answer 2

只是一个注释。

shl eax,1 ; opcode: d1 e0
shl eax,7 ; opcode: c1 e0 07

实际上是具有不同操作码的不同指令，其可能由ALU的不同逻辑块处理。它们在汇编中使用相同的助记符，这可能会混淆，但从CPU的角度来看，它们是具有不同操作码和编码的不同指令。