处理器微架构学习总结

    ISA指令集架构定义了处理器最基本的硬件设计标准，而微架构micro architecture则是ISA在晶体管集成电路的中的具体实现方案。

    常见的指令集就那么几种，微架构设计使处理器具有多样性，不同半导体公司有自己的微架构设计。微架构的设计对处理器的性能提升至关重要。高通有自己Krait微架构的骁龙处理器，苹果有自己的A5处理器，三星有自己的Exynos处理器，NVIDA有自己的Tegra处理器，归根结底这些都是ARMv7指令集的处理器。

    RISC指令集比CISC精简，相同情况下执行效率更高，CISC指令集过于臃肿，但为了保持已有软件兼容性，Intel 把古老的x86指令集坚持到今天，性能依然强劲，主要得益于先进的制程工艺和杰出的微架构设计。

    x86指令集有名的微架构有P6微架构、NetBurst和Core微架构。P6微架构对Intel 来说具有划时代的意义，通过汲取RISC指令集设计思想，P6微架构内核能够将复杂的CISC指令集转化为如同RISC指令集的micro operations ，然后采用RISC内核来执行，这样巧妙的设计既很好的保证了兼容性，有能精简指令，创造更大的性能提升空间。

    在处理器微架构设计中，指令的执行过程通常为：

 

     1.取指令，译码，分支预测；

     2.寄存器重命名，去除相关；

     3.指令流水，乱序执行；

     4.重排序缓冲，顺序提交

 

    微架构设计通过提高指令的并行程度，提高处理器执行效率。最常见的并行模型就是流水线作业，Intel很早就把指令放在几十级深的流水线上并行执行，ARM从cortex-A9开始也采用流水线乱序执行来提升性能。

     微架构中 数据与指令并行多采用SIMD（single instruction multiple data）单条指令多组数据和MIMD （ multiple  instruction multiple data） 设计，通过SIMD指令，一条语句可以处理多个数据，这对处理多媒体应用如视频和游戏非常有效。

    对指令并行化处理主要分为Superscalar和VLIW (Very Long Instruction Word，超长指令字) 。通常应用程序是以一系列串行指令进入处理器，Superscalar处理器内部把串行指令转化为并行指令提交给执行内核，而VLIW则需要依靠特殊的编译器提前把源代码编译成并行可执行程序，处理器直接拿来执行。因此相同情况下，VLIW处理器由于内部不需要额外的指令并行化模块，芯片尺寸、功耗和性能上都占优势，但Superscalar处理器在软件兼容性上占绝对优势，而软件兼容性不是哪家半导体公司敢于随便挑战的，所以x86、ARM和MIPS处理器都是Superscalar结构的。不过未来VLIW处理器性能提升空间更大，个人觉得更有前景。