闲侃CPU(三)

CPU执行一条指令包含下面5个步骤,其中每个步骤都会由CPU的一个专门的功能单元(function unit)来完成:
(1)取指令;
(2)解码;
(3)执行指令;
(4)内存访问;
(5)写回寄存器。
最后两个步骤是可选的,因为很多指令只会访问寄存器,不会访问内存。上面的每个步骤至少要花费一个时钟周期(clock cycle)去完成。内存访问通常是最慢的,要占用多个时钟周期。 

指令流水线(Instruction Pipeline):是一种可以并行执行多条指令的CPU结构(architecture),也即同时执行不同指令的不同部分。假设上面提到的执行指令5个步骤每个步骤都占1个时钟周期,那么完成一个指令需要5个时钟周期(假设步骤45都要经历)。在执行这条指令的过程,每个步骤只有CPU的一个功能单元是工作的,其它的都在空闲中。采用指令流水线以后,多个功能单元可以同时活跃,举个例子:在解码一条指令时,可以同时取下一条指令。这样可以大大提高效率。理想情况下,执行每条指令仅需要1个时钟周期。

更进一步,如果CPU内执行特定功能的功能单元有多个的话,那么每个时钟周期可以完成更多的指令。这种CPU结构称之为“超标量(superscalar)”。指令宽度(Instruction Width)描述了可以并行处理的指令的数量。现代CPU一般是3-wide4-wide,即每个时钟周期可处理3~4条指令。

Cycles per instruction(CPI)是描述CPU在哪里耗费时钟周期和理解CPU利用率的一个重要度量参数。这个参数也可以表示为instructions per cycle(IPC)CPI表达了指令处理的效率,并不是指令本身的效率。

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