CPU架构学习心得（一）

CPU从产生之初就追求更快的速度，那么提高CPU速度的方法到底有哪些？下面就从简单到复杂大致的记录下最近的一些学习心得：

1. 流水线技术。把指令细分作更小的部分，又不同的功能部件来完成。假设每条指令都可以分作4步：取指，译码，执行，写回。这4步分别由不同的功能部件来完成，流水线技术带来的好处就是：取指部件在做完指令1的取指之后，可以立即开始指令2的取指，而不需要等待指令1的“写回”完成。从单条指令的执行时间来看并没有减少，但针对整个程序而言，CPU可以在每个周期执行完一条指令，相比于不采取流水线技术时4个周期才能完成一条指令，速度提高了4倍。即流水线中分作N个部分，理论上整体速度能提高N倍，但在实际应用中是不可能做到的：首先，指令不可能无限划分为更小的部分；其次，指令之间可能相互依赖，可能需要等待；再次，指令流并不是顺序执行的，中间可能有条件转移和跳转指令。
2. 循环展开。这个技术是如何提高CPU的指令处理速度的呢？主要是从两个方面：第一，循环展开之后，原有的条件转移指令次数会减少，从而性能会提高；第二，循环展开之后，动态调度可以在更大范围内进行。其实在tomasulo方法中，动态调度是能够处理转移指令的。
   
3. 分支预测。主要是针对指令流中的条件跳转指令。CPU遇到条件转移指令时，在转移所依赖的结果还未计算出来时，无法知道接下来的指令在哪里。那么，有一种方法就是猜测。等到转移所依赖的结果计算出来时，就能知道猜测是否正确，如果正确，就节省了时间，如果错误，当然需要把之前已经执行的指令及其产生的状态全部清掉。这里，就是希望猜测的准确率提高。如何做到？在CPU设计时可以增加一个bit用来记录之前条件转移是否发生，如果发生，该bit为1，否则为0.第二次进行条件转移时，则依赖这个bit来猜测，如果为1，则假设转移会发生，就按照转移发生的指令流继续执行，否则按照转移不发生的指令流执行。当然，还可以有更复杂的实现机制，从而有更高的猜测准确率，但同时硬件设计也更为复杂，需要在这中间找到一个平衡点。
   
4. 动态调度。在指令执行时，不同的阶段（取指、译码、执行、写回）需要的时间不一样，从而该条指令可能会处于等待状态，这时它之后的指令说不定已经满足执行条件了，在支持动态调度的情况下，可以把后面满足执行条件的指令提前执行，而不需要等待当前的指令执行结束。在这个技术里面，需要通过硬件去检测指令之间的冲突，名字冲突可以通过寄存器重命名解决，地址冲突则需要通过load/store缓冲区来解决，如果指令之间确实有依赖关系，则无法进行动态调度。
   
5. 多发射和静态调度（VLIW）。多发射是针对CPU中有多条流水线的情况，在有多条流水线时，可以一次发射多条指令到不同的流水线中去分别执行。VLIW也是通过这样的方式去利用CPU中的多条流水线。多发射技术实际上应用在下面三种情况下：静态调度的超向量机（所谓的超向量机，也就是指有多条流水线），VLIW架构的处理器，动态调度的超向量机。静态调度的超向量机和VLIW都依赖编译器在编译阶段就安排好指令的调度，所不同之处在于，静态调度的超向量机可能发射一条指令，也可能发射多条指令，是不固定的；而VLIW在编译阶段就会统一的把指令压成长指令，或者是instruction packet。
   
6. 提高取指带宽。