本文是一個銜接點，上一篇文章以前都是學習8086實模式的知識。本文開始學習80386這種現代處理器的編程架構。由此進入保護模式的學習。點擊鏈接查看上一篇文章：上一篇文章

1、現代處理器的結構和特點

1 流水線技術

處理器可以做很多事情，能夠執行各種不同的指令，完成不同的功能，但這些事情大多不會再一個時鐘周期內完成。執行一條指令，需要從內存中取指令，譯碼，訪問操作數和結果，并進行移位、加法、減法、乘法以及其他任何操作。

為了提高處理器的執行效率和速度，可以把一條指令的執行過程分解成若干個細小的步驟，并分配給相應的單元來完成。各個單元的執行都是獨立的、并行的。如此一來，各個步驟在時間上就會重疊起來，這種執行指令的方法，就是流水線（Pipe-Line）技術。

比如，一條指令的執行過程分為取指令、譯碼和執行三個步驟的話。假設每個步驟都要花一個時鐘周期，那么如下圖所示，如果采用順序執行，則執行三條指令就要花9個時鐘周期，沒3個時鐘周期才能得到一條指令的執行結果；如果采用3級流水線技術的話，則執行這三條指令只需要5個時鐘周期，每隔一個時鐘周期就能夠得到一條指令的執行結果。

2、高速緩存技術

高速緩存，在以前的文章中有講的很詳細，這里不再贅述，直接查看以前的文章即可。

點解下面鏈接查看：

高速緩存

其實簡單來說高速緩存就是為了彌補外存（內存條）的讀寫速度過于緩慢的缺陷。將內存中的一些指令和數據，緩存到高速緩存中，那么CPU可以不用訪問內存而直接訪問高速緩存，這樣會快的多！！！

3、亂序執行技術

為了實現流水線技術，需要將指令拆分成更小的可獨立執行部分，即拆分成微操作。

一旦將指令拆分成微操作，處理器就可以在必要的時候亂序執行。考慮以下程序：

mov eax , [mem1] shl eax , 5 add eax , [mem2] mov [mem3] , eax

這里add eax , [mem2]可以拆分成兩個微操作。先從mem2對應的地址取數據，然后將數據與eax寄存器中存的數據相加，得到的結果存入eax寄存器。如此一來，在執行邏輯左移指令的同時，處理器可以提前從內存中讀取mem2的內容。典型的，如果數據不在高速緩存中，那么處理器在獲取mem1的內容后，會立即開始獲取mem2的內容，與次同時，shl指令的執行早就開始了。

類似的這種亂序執行很多很多，總給不在贅述。

4、寄存器重命名技術

考慮以例子：

mov eax , [mem1] shl eax , 3 mov [mem2] , eax mov eax , [mem3] add eax , 2 mov [mem4] , eax

以上代碼做了兩件事情，但是互不相干。

• 將mem1的內容左移3次后，傳給mem2
• 將mem3的內容加2后，傳給mem4

如果我們為最后三條指令使用不同的寄存器，就更能清楚的看明白，這兩件事的互不相干性。事實上，處理器也是這么做的。處理器為最后三條指令使用了另一個不用的臨時寄存器，因此，左移和加法指令可以并行的處理。

IA-32架構的處理器只有8個32位的通用寄存器，但通常都會被我們全部派上用場（甚至還覺得不夠）。因此我們不能奢望在每個計算機中都使用新的寄存器。不過在處理器內部，卻有大量的臨時寄存器可用，處理器可以重命名這些寄存器，但是以代表一個邏輯寄存器，比如上述的EAX寄存器。

寄存器重命名以一種完全自動和非常簡單的方式工作。每當指令寫一個邏輯寄存器時，處理器就為那個邏輯寄存器分配一個新的臨時寄存器。

在所有操作都完成之后，那個代表EAX的臨時寄存器里面存的內容就會被寫入真實的EAX寄存器，該處理過程稱為引退。

所有通用寄存器，棧指針寄存器，標志寄存器，浮點寄存器，甚至段寄存器都有可能被重命名。

5、 分支目標預測技術

流水線并不是百分之百完美的解決方案。實際上，有很多潛在的因素會使得流水線不能達到最佳的效率。一個典型的情況是，如果遇到一條轉移指令，則后面那些已經進入流水線的指令就都無效了。換句話說，我們必須清空流水線，從要轉移到的目標位置處重新取指令放入到流水線。

隨著復雜架構下的流水線變得越來越長，程序分支帶來的問題變得很大。為了解決這個問題，引入了分支預測技術。

從統計學的角度來看，有些事情一旦發生，下一次發生的概率很大。比如下面的程序片段：

xor si , silops:......cmp si , 20jnz lops

當jnz指令第一次執行時，轉移一定會發生。那么處理器就可以預測，下一次它還會轉移到標號lops處，而不是順序往下執行。事實上，這個預測通常是很準的。

在處理器內部，有一個小容量的高速緩存器，叫做 分支目標緩存器（BTB）。當處理器執行了一條分支語句后，它會在BTB中記錄當前指令的地址、分支目標的地址。以及本次分支預測的結果。下一次，在那條轉移指令實際執行之前，處理器會查找BTB中，看有沒有最近的轉移記錄。如果能找到最近的條目，則推測執行和上次相同的分支，把該分支的指令送入流水線。

當該指令執行時，如果預測是失敗的，那么清空流水線，同時刷新BTB中的記錄。這個代價很大。

細心的人早已發現，這其實就是一個緩存的思想！！！這個思想很牛逼！！！

2、總結

理解現代處理器的結構特點：

• 流水線技術
• 高速緩存思想
• 亂序執行思想
• 寄存器重命名
• 分支目標預測技術

其實這些思想，在以后的上層軟件開發中，也是經常遇到。

筆記記得不是很全，如果有不懂的可以加我聯系方式一起交流。

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總結

以上是生活随笔為你收集整理的【OS学习笔记】十二 现代处理器的结构和特点的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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