最慢 x86 指令“耻辱榜”：fxrstor64 单次执行 62 秒创纪录，相当于 1980 亿个 CPU 周期

IT之家 8 月 8 日消息，硬件研究人员 Christopher Domas 昨天在 GitHub 上发起了一项名为“CPU Deoptimization（反优化）”的实验项目。与传统 CPU 优化方向不同，该项目目标不是让指令运行更快，而是寻找执行延迟最高的单条机器指令。目前该项目公布的 x86 架构最慢指令记录为 fxrstor64，执行一次耗时约 62 秒，相当于 1980 亿个 CPU 周期。在软件和硬件优化领域，指令延迟分析通常用于研究低级指令执行时间，以改进处理器架构或优化应用程序性能。而 Domas 创建的“CPU 反优化排行榜”则反其道而行之，通过构造特殊运行环境，寻找能够让处理器停顿时间最长的 x86 指令。目前排名第一的是 fxrstor64 指令。该指令用于恢复 SIMD（单指令多数据）计算相关寄存器状态，需要从 512 字节内存区域加载数据。为了创造最高延迟记录，Domas 首先使用自己开发的 mmiotic 工具，在处理器内部 PCIe 互连结构中寻找高延迟区域，然后强制 CPU 通过内存映射 I/O（MMIO）读取 512 字节状态数据，使这一过程尽可能缓慢。该步骤耗时约 740 亿个 CPU 周期，即超过 23 秒。IT之家注：MMIO（Memory-Mapped I/O，内存映射输入输出）是一种让 CPU 通过访问内存地址方式与硬件设备通信的机制，常用于读取设备寄存器数据。随后，Domas 进一步增加延迟，通过“在加载操作进行期间耗尽互连资源”的方式，让处理器等待更多时间。他利用另一组高延迟 MMIO 寄存器执行连续 4 字节读取操作，持续占用 CPU 的 PCIe 根复合体资源，使 fxrstor64 的状态恢复操作排队等待。在进一步实验中，Domas 计划利用英特尔 Sapphire Rapids 处理器支持的 AMX 指令测试 xrstore64 指令。由于 AMX 状态数据区域从 512 字节扩大至 8KB，理论上可能让单条指令执行时间超过 1 万亿个 CPU 周期。目前，x86 架构的“最慢指令排行榜”已经公开在 GitHub 上。Domas 表示，未来还计划建立 ARM 和 RISC-V 架构对应排行榜。该项目对测试过程设置了一些限制。测试平台可以自由选择，但评分只计算单条指令自身执行时间；可被中断的指令不能参与排名，处理程序中运行的模拟指令也不计入结果。所有测试时间均根据 CPU 基础频率进行标准化，并且测试平台未进行硬件改装。此次实验并非 Domas 首次进行低级硬件和指令相关研究。他此前还开发过名为 movfuscator 的项目，这是一个只使用 mov（数据移动）指令生成 C 程序代码的编译器。除了寻找最慢指令外，Domas 开发的 mmiotic 工具还可用于分析 MMIO 访问延迟。该工具通过测量不同物理地址访问时间，可以帮助研究人员分析硬件拓扑结构、发现设备寄存器、识别虚拟化环境，并观察硬件设备活动状态。IT之家附 GitHub 地址：https://github.com/xoreaxeaxeax/mmiotic