1、完整功能的CPU有3個周期概念：指令周期、機(jī)器周期、時鐘周期

2、一條CPU指令的執(zhí)行步驟：取得指令-指令譯碼-執(zhí)行指令，這個過程至少花費(fèi)一個時鐘周期。

單指令周期處理器：一個周期內(nèi)，只執(zhí)行一條指令。這樣就需要保證時鐘周期等于執(zhí)行時間最長的指令時間。這樣時鐘頻率就不能太高，否則指令可能還沒有執(zhí)行完成就開始執(zhí)行下一條指令，而之前的指令計算結(jié)果還沒有存到寄存器中。

這樣的CPU實際效率并不高

3、流水線

CPU 的指令執(zhí)行過程，其實也是由各個電路模塊組成的。在取指令的時候，需要一個譯碼器把數(shù)據(jù)從內(nèi)存里面取出來，寫入到寄存器中；在指令譯碼的時候，需要另外一個譯碼器，把指令解析成對應(yīng)的控制信號、內(nèi)存地址和數(shù)據(jù)；到了指令執(zhí)行的時候，需要的則是一個完成計算工作的 ALU。把時鐘周期設(shè)置成整條指令執(zhí)行的時間，而是拆分成完成這樣的一個一個小步驟需要的時間。同時，每一個階段的電路在完成對應(yīng)的任務(wù)之后，也不需要等待整個指令執(zhí)行完成，而是可以直接執(zhí)行下一條指令的對應(yīng)階段。

不需要確保最復(fù)雜的那條指令在時鐘周期里面執(zhí)行完成，而只要保障一個最復(fù)雜的流水線級的操作，在一個時鐘周期內(nèi)完成就好了。

4、 超長流水線

流水線并沒有縮短單條指令的響應(yīng)時間，但是可以增加運(yùn)行很多條指令時候的吞吐率。

流水線深度的增加，需要的電路數(shù)量變多了，也就是使用的晶體管也就變多了。過深的流水線，不僅不能提升計算機(jī)指令的吞吐率，更會加大計算的功耗和散熱問題。而流水線帶來的吞吐率提升，只是一個理想情況下的理論值。在實踐的應(yīng)用過程中，還需要解決指令之間的依賴問題。這個使得流水線，特別是超長的流水線的執(zhí)行效率變得很低。要想解決好冒險的依賴關(guān)系問題，需要引入亂序執(zhí)行、分支預(yù)測等技術(shù)。

5、關(guān)于多發(fā)射和超標(biāo)量

通過增加硬件的方式，將取指令和指令譯碼實現(xiàn)并行，一次性取出多條指令，然后分發(fā)給多個并行的指令譯碼器，進(jìn)行譯碼，然后對應(yīng)交給不同的功能單元去處理。這樣，在一個時鐘周期里，能夠完成的指令就不只一條了。這種 CPU 設(shè)計，叫作多發(fā)射(Mulitple Issue)和超標(biāo)量(Superscalar)。

?多發(fā)射是指將多條指令同時發(fā)射到不同的譯碼器或者后續(xù)處理流水線中。

?超標(biāo)量的CPU里面有很多并行的流水線，而不是單一一條。

6、單指令多數(shù)據(jù)流

?SIMD 在獲取數(shù)據(jù)和執(zhí)行指令的時候，都做到了并行。一方面，在從內(nèi)存里面讀取數(shù)據(jù)的時候，SIMD 是一次性讀取多個數(shù)據(jù)。對于那些在計算層面存在大量“數(shù)據(jù)并行”(Data Parallelism)的計算中，使用 SIMD 是一個很劃算的辦法。在這個大量的“數(shù)據(jù)并行”，其實通常就是實踐當(dāng)中的向量運(yùn)算或者矩陣運(yùn)算。在實際的程序開發(fā)過程中，過去通常是在進(jìn)行圖片、視頻、音頻的處理。最近幾年則通常是在進(jìn)行各種機(jī)器學(xué)習(xí)算法的計算。

?

7、計算機(jī)是如何處理異常的

關(guān)于異常，最有意思的一點(diǎn)就是，它其實是一個硬件和軟件組合到一起的處理過程。異常的前半生，也就是異常的發(fā)生和捕捉，是在硬件層面完成的。但是異常的后半生，也就是說，異常的處理，其實是由軟件來完成的。

計算機(jī)會為每一種可能會發(fā)生的異常，分配一個異常代碼(Exception Number)。有些教科書會把異常代碼叫作中斷向量(Interrupt Vector)。異常發(fā)生的時候，通常是 CPU 檢測到了一個特殊的信號。比如，按下鍵盤上的按鍵，輸入設(shè)備就會給 CPU 發(fā)一個信號。或者，正在執(zhí)行的指令發(fā)生了加法溢出，同樣，可以有一個進(jìn)位溢出的信號。這些信號呢，在組成原理里面，一般叫作發(fā)生了一個事件(Event)。CPU 在檢測到事件的時候，其實也就拿到了對應(yīng)的異常代碼。

這些異常代碼里，I/O 發(fā)出的信號的異常代碼，是由操作系統(tǒng)來分配的，也就是由軟件來設(shè)定的。而像加法溢出這樣的異常代碼，則是由 CPU 預(yù)先分配好的，也就是由硬件來分配的。這又是另一個軟件和硬件共同組合來處理異常的過程。

拿到異常代碼之后，CPU 就會觸發(fā)異常處理的流程。計算機(jī)在內(nèi)存里，會保留一個異常表(Exception Table)。也有地方，把這個表叫作中斷向量表(Interrupt Vector Table)，好和上面的中斷向量對應(yīng)起來。

CPU 在拿到了異常碼之后，會先把當(dāng)前的程序執(zhí)行的現(xiàn)場，保存到程序棧里面，然后根據(jù)異常碼查詢，找到對應(yīng)的異常處理程序，最后把后續(xù)指令執(zhí)行的指揮權(quán)，交給這個異常處理程序。

8、異常分類：中斷、陷阱、故障和中止

第一種異常叫中斷(Interrupt)。顧名思義，自然就是程序在執(zhí)行到一半的時候，被打斷了。這個打斷執(zhí)行的信號，來自于 CPU 外部的 I/O 設(shè)備。在鍵盤上按下一個按鍵，就會對應(yīng)觸發(fā)一個相應(yīng)的信號到達(dá) CPU 里面。CPU 里面某個開關(guān)的值發(fā)生了變化，也就觸發(fā)了一個中斷類型的異常。

第二種異常叫陷阱(Trap)。陷阱，其實是程序員“故意“主動觸發(fā)的異常。就好像你在程序里面打了一個斷點(diǎn)，這個斷點(diǎn)就是設(shè)下的一個"陷阱"。當(dāng)程序的指令執(zhí)行到這個位置的時候，就掉到了這個陷阱當(dāng)中。然后，對應(yīng)的異常處理程序就會來處理這個"陷阱"當(dāng)中的獵物。

第三種異常叫故障(Fault)。它和陷阱的區(qū)別在于，陷阱是開發(fā)程序的時候刻意觸發(fā)的異常，而故障通常不是。比如，在程序執(zhí)行的過程中，進(jìn)行加法計算發(fā)生了溢出，其實就是故障類型的異常。這個異常不是我們在開發(fā)的時候計劃內(nèi)的，也一樣需要有對應(yīng)的異常處理程序去處理。

故障和陷阱、中斷的一個重要區(qū)別是，故障在異常程序處理完成之后，仍然回來處理當(dāng)前的指令，而不是去執(zhí)行程序中的下一條指令。因為當(dāng)前的指令因為故障的原因并沒有成功執(zhí)行完成。

最后一種異常叫中止(Abort)。與其說這是一種異常類型，不如說這是故障的一種特殊情況。當(dāng) CPU 遇到了故障，但是恢復(fù)不過來的時候，程序就不得不中止了。

?

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的计算机组成 超标量,计算机组成原理6-流水线、多发射和超标量、SIMD(示例代码)...的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網(wǎng)站內(nèi)容還不錯，歡迎將生活随笔推薦給好友。