【計算機系統】CPU指令執行流程與指令流水線原理

一、指令執行流程

馮諾依曼架構CPU指令執行的五個階段：

階段

涉及的功能部件

IF

指令寄存器IR、程序計數器PC

ID

指令譯碼器ID

EXE

CPU內各個單元：ALU、Cache、Registers .etc

MEM

WB

狀態寄存器FR、Registers. etc

表1

在上述各階段CPU與內存的交互時，還涉及系統總線如AB、CB、DB等

1、取指階段(IF, Instruction Fetch)

在上一個指令周期時，程序計數器PC中記錄的是下一條指令的內存地址。因此IF階段CPU指令寄存器按照PC的地址從主存中取得一條指令，當前指令被取出后，PC更新到下一條指令的地址。

2、指令譯碼階段(ID, Instruction Decode)

在ID階段，指令譯碼器按照預定的指令格式，對取回的指令進行拆分和解釋，識別區分出不同的指令類別以及各種獲取操作數的方法。

3、執行指令階段(EXE, Execute)

通過對指令的譯碼，CPU已經知曉這條指令要如何執行，因此EXE階段就是通過操作控制器OC，按確定的時序向相應的部件發出微操作控制信號以對指令要求的特定操作進行具體實現。EXE階段CPU的不同部分(如ALU、寄存器組等)被聯合起來，以實現指令所需的操作。

4、訪存取數階段(MEM, Memory)

根據指令需要可能要訪問內存，讀取操作數。MEM階段根據指令地址碼(如果有要求的話)得到操作數在主存中的地址，并從主存中讀取該操作數用于運算。

5、寫回階段(WB, Write Back)

WB階段把執行指令階段的運行結果數據“寫回”到某種存儲形式：

①寫入CPU的內部寄存器中，以便被后續的指令快速地存取

②寫入內存

③改變FR中標志位狀態(如果需要改變的話)，用來影響接下來程序的動作

WB階段結束后，若無意外事件(如結果溢出等)或異常中斷發生，計算機就接著從程序計數器PC中取得下一條指令地址，開始新一輪的循環。上述五個階段在具體實現過程中會引入指令流水線來提高效率。

二、指令流水線(Instruction Pipeline)

指令流水線概念的提出是為了提高CPU處理指令的效率。

假設將CPU執行一條指令按照流程分為四個步驟如圖1(ii)

圖1

考慮一個完全不采用流水線的系統如圖3(i)，對于一組指令序列，CPU總是等某條指令的全部過程都執行完之后再開始下一條指令。與之對比的是圖1(ii)的指令流水線，在第一條指令完成IF后，第二條指令就可以開始IF，依次類推。直觀地，指令流水可以大幅提高CPU處理指令的效率。

1、指令流水線基本概念

①指令流水周期：將一條指令劃分為不同的步驟涉及到的一個重要問題就是——不一致的劃分現象，即每個步驟完成的時間不均勻，例如在經典劃分中，IF,WB的速度比較快而EXE速度較慢，如圖2所示陰影部分為指令步驟所需的時間。因此必須把流水周期設置為單級操作的最大時延。指令階段間的指令轉移(例如IF→ID)是由時鐘信號控制的，驅動這條指令流水工作的時鐘周期應該要等于這個最大時延。

圖2

②CPI(Cycles Per Instruction)：即每條指令經過整個流水線所需周期數，它與各指令有關，不同的指令，CPI也不相同。因此，一般使用平均CPI表示

③ILP(Instruction Level Parallelism)：即指令級并行度，是指當指令流水線被充分利用時，一個基本周期內并行執行的指令數

④指令發射速率：指在每個周期內發射的指令數，在數值上等于超標量處理機的級數。

2、影響流水線性能的因素

①數據相關：如第一條指令的輸出為第二條指令的輸入，則第二條指令必須等待第一條指令執行完畢而不能直接進入流水，造成流水線效率下降

②控制相關：如遇到分支判斷指令，那么該指令可能順序執行，也可能分支跳轉到其他位置，造成流水線斷流。

引入流水線會提高CPU指令處理效率，但過深的流水等級會使數據相關和控制相關的副作用增大，反而又降低了CPU工作性能。

3、流水線的改進技術——超標量技術

圖3

采用資源重復的并行性思想，設置多條指令流水線和多個功能部件。每個周期發送多條指令(即指令發射速率大于1)，同時并行地對多條指令進行流水處理

總結

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