Out-of-order execution

📌 Кратко

Out-of-order execution (OOO) — техника исполнения инструкций CPU не в порядке их поступления, а в порядке готовности операндов, с целью максимального использования ресурсов и устранения простоев Pipeline.

🧠 Как работает

Вместо строгого следования порядку инструкций, CPU анализирует зависимости и исполняет готовые операции раньше, откладывая те, чьи данные ещё не получены.

Ключевые механизмы:

Компонент	Назначение
Instruction queue	Буфер поступающих инструкций
Reservation stations	Хранят инструкции, ожидающие операнды
Reorder buffer (ROB)	Обеспечивает архитектурную корректность порядка завершения
Register renaming	Избегание ложных зависимостей по регистрам (WAW, WAR)
Issue logic	Выдача инструкций на исполнение по готовности

Техника требует жёсткого контроля зависимостей:

• RAW (read-after-write)
• WAW (write-after-write)
• WAR (write-after-read)

⚙️ Где применяется

Архитектура	Применение
Superscalar CPU	Несколько ALU, работа в параллель
x86_64	Intel Core, AMD Ryzen — реализуют OOO
ARM Cortex-A	В архитектурах A7x и выше
Modern GPU	В ограниченном виде, например, для текстур

💻 Пример (на псевдокоде)

Instruction stream:
1. A = B + C    ; готово сразу
2. D = E + F    ; готово сразу
3. G = A + D    ; зависит от 1 и 2
 
→ CPU выполнит 1 и 2 в любом порядке, но 3 — только после них

📐 Схема исполнения

Instruction Fetch → Decode → Register Renaming → Reservation Station
                     ↓              ↑
           Reorder Buffer ←  Execution Units
                     ↓
               Writeback → Commit (по порядку)

✅ Преимущества

• Повышает эффективность использования ALU и FPU

• Уменьшает простоев Pipeline из-за зависимостей

• Критично для достижения высокой IPC (Instructions Per Cycle)

❌ Недостатки

• Значительно усложняет архитектуру CPU

• Повышенное энергопотребление и задержки из-за контроля зависимостей

• Уязвимость к атакам на спекулятивное исполнение (Spectre, Meltdown)