[教学]：电脑硬件快速入门--相关指令/高速缓存/RISC架构/管道和超标量

xiaoaoxiao_001

相关指令
    正如我们上文所介绍的那样，Pentium级芯片已经能够在一个时钟周期内同时处理两条不同的指令，这样可以成倍的提高计算机的执行速度。但是，随之出现的一个问题就是执行一条指令时可能需要使用前一条指令的处理结果。例如，当我们计算两个数的平均数时，首先需要对两个数求和，然后再被2除得平均数。如果某一时刻，加法和减法两条运算指令同时等待执行，必须首先执行加法运算，然后利用所得到的和再进行减法运算，而不同简单的并行处理。


　　为了有效的解决上述问题，Pentium芯片引入乱序机制，可以查看每一个将要被执行的指令对。如果两条指令之间不存在相关依存关系，就会被同时执行。如果第二条指令需要使用第一条指令的处理结果，则在本时钟周期内只执行第一条指令，而在下一个周期内再执行第二条指令。

高速缓存


　　在CPU开始执行任何指令之前，都会首先从内存中取得该条指令以及其它一些相关数据和信息。为了加快CPU的运行速度，几乎所有的芯片都采用两种不同类型的内部存储器，即高速缓存。缓存被用来临时存放一些经常被使用的程序片段或数据。


　　一级高速缓存是性能最好缓存类型，与解释指令和执行算术运算的处理单元一到构成CPU的核心。CPU可以在全速运行的状态下读取存放在一级高速缓存中的指令或数据。Intel的处理器产品一般都会具有32K的一级缓存，而象AMD或Via这种竞争对手的产品则会使用更多的一级缓存。


　　如果在一级缓存中没有找到所需要的指令或数据，处理器会查看容量更大的二级缓存。二级缓存既可以被集成到CPU芯片内部，也可以作为外部缓存。Pentium II处理器具有512K的二级缓存，工作速度相当于CPU速度的一半。Celeron以及更新的Pentium III芯片则分别具有128K和256K的在片二级缓存，能够在处理器全速下运行。


　　对于存放在速度较慢的二级缓存中的指令或数据，处理器往往需要等待2到4个时钟周期。为了充分利用计算资源，CPU可以在这段时间内查看和执行其它正在等候处理，但不需要使用额外数据的指令，从而提高整个系统的速度，把空闲时间降低到最低程度。


　　我们上面所介绍的是各种类型的高速缓存，作为计算机系统主内存的DRAM（动态随机存储器）的速度则要比CPU或者任何类型的缓存慢很多。一个500 MHz CPU的时钟周期约为2纳秒，而DRAM至少需要60纳秒的时间对数据请求做出响应。无论Pentium III处理器乱序执行的能力有多强，最终都必须等待来自内存的数据响应。

RISC架构
　　从早期的8位计算机发展到今天的32位、64位计算机，CPU的计算能力不断提高，可以在更短的时间内处理更多的指令。但是很快人们就发现指令系统过于复杂，而且不同指令的使用频率相差悬殊。那些经常被使用的简单指令虽然只占整个指令系统的20%，但是在程序中出现的频率却高达80%。于是，为了优化指令系统，加快程序编译，提高运行速度，计算机设计人员开发出RISC技术，即简化指令集计算机。RISC技术采用了更加简单和统一的指令格式，固定的指令长度以及优化的寻址方式，使整个计算结构更加合理。


　　也就在两、三年之前，RISC技术一度被认为代表了未来计算机的发展趋势，其简单、快速、廉价和易于制造的特性吸引了众多业界知名厂商。其中，IBM，Apple以及Motorola三家公司联手开发出基于RISC架构的PowerPC芯片，并被Apple公司应用到整个Macintosh产品线中。除此之外，DEC研制出了Alpha芯片，而Sun也推出了自己的SPARC产品系列。


　　在486和早期的Pentium芯片最多只能集成2、3百万个晶体管的时候，RISC技术的优势还是非常明显的。当PowerPC芯片首次推出时，曾宣称具有Pentium的速度和486的价格。但是很遗憾，由于软件支持方面的原因，导致PowerPC系统未能广为流传，从而也丧失了一次绝佳的机会。因为正当人们准备尝试使用PowerPC芯片时，充分体现摩尔定律的Pentium芯片的价格已经卖到比原先的486都便宜。此外，更为重要的一点就是Intel已经将传统芯片的设计工艺和RISC技术的精华融入到了其随后推出的Pentium Pro之中。


　　目前，RISC芯片仍然在Unix系统平台上广泛应用，而且可以支持Windows NT系统。虽然基于RISC架构的多处理器在象数据库或专用服务器这样的对计算能力有严格要求的领域仍然占据一席之地，但是对比Intel产品的强大优势，RISC系统很难在桌面和笔记本电脑市场有所突破。

管道和超标量


　　所谓管道就是指由一系列能够进行指令解码，取数据，执行操作和保存结果的处理单元所组成的结构流程。在CPU内部，所有的指令都是经过这种类似生产车间组装线的管道依次进行处理的。


　　我们可以通过提高管道中不同处理单元的效率来优化整个系统的性能。超标量技术与此不同，主要是通过重复设置大量的处理单元，实现并行操作，来达到提高计算机处理速度的目的。从Pentium芯片开始，Intel在其处理器中采用了超标量技术，可以在一个时钟周期内并行执行两条指令。