輕松讀懂移動(dòng)處理器 CPU微架構(gòu)全解析
ISA 的“實(shí)現(xiàn)”需要借助各種微架構(gòu)，現(xiàn)在的處理器微架構(gòu)基本上涉及以下部分：
流水線化
多核、多線程
SIMD 向量
存儲(chǔ)系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)
流水線
早期一些采用非常簡單的指令集（注意，我們說的不是 RISC）的電腦是采用單周期設(shè)計(jì)的，取指、解碼、執(zhí)行、寫回都是放在同一個(gè)拍（周期）內(nèi)順序完成，此時(shí)的 CPI(每指令周期數(shù)）基本上是 1，但是這樣設(shè)計(jì)的效率很低：當(dāng)取指的時(shí)候，其余工位都只能瞎瞪眼等開飯，這樣的設(shè)計(jì)也被稱作非流水線化執(zhí)行。
上：非流水線化（順序化）執(zhí)行
下：流水線化執(zhí)行
流水線化則是實(shí)現(xiàn)各個(gè)工位不間斷執(zhí)行各自的任務(wù)，例如同樣的四工位設(shè)計(jì)，指令拾取無需等待下一工位完成就進(jìn)行下一條指令的拾取，其余工位亦然。
世界上第一臺(tái)采用流水線化指令執(zhí)行的電腦為 1961 年的 IBM Stretch 或者說 IBM 7030，具備四級(jí)流水線工位，它同時(shí)也是 IBM 第一臺(tái)晶體管化電腦。
這樣原本四工位非流水線的一個(gè)周期是 800 個(gè)皮秒的話，在流水線設(shè)計(jì)的處理器上，雖然同樣的指令完成時(shí)間依然是 800 皮秒，但是第二條指令則可能只需要在第一條指令完成時(shí)間加 200 皮秒即第 1000 皮秒就能完成，而非流水線設(shè)計(jì)則需要第 1600 皮秒才能完成。
常見的五周期（FDEMW）流水線形式，對(duì)同步處理器來說 Latch 之間為一拍（周期）
對(duì) Pentium 4 這類異步處理器來說，個(gè)別工位（simple ALU）頻率為雙倍即 1/2 拍
RISC 指令集具備指令編碼格式統(tǒng)一、等長的特點(diǎn)，在流水線設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)上有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，這樣可以使得流水線工位設(shè)計(jì)相對(duì)于指令編碼格式不統(tǒng)一、非等長的 CISC（例如 x86 的指令長度為 1 個(gè)字節(jié)到 17 個(gè)字節(jié)不等）來說顯得更容易。
x86 可能需要將一些工位拆開（這意味著流水線工位更多或者流水線長度更深），例如英特爾的第一款流水線化處理器——486 的指令解碼就是拆成兩個(gè)工位。
流水線設(shè)計(jì)可以讓指令完成時(shí)間更短（理論上受限于流水線執(zhí)行時(shí)間最長的工位），因此將一些工位再拆開的話，雖然依然是每個(gè)周期完成一條指令，但是“周期”更短意味著指令吞吐時(shí)間進(jìn)一步縮短，每秒能跑出來的指令數(shù)更多，這就是超級(jí)流水線的初衷。
| 微架構(gòu) (Microarchitecture) |
流水線工位數(shù) (Pipeline stages) |
|---|---|
| Sony Cell PPU | 23 |
| IBM PowerPC 7 | 17 |
| IBM Xenon | 19 |
| AMD Athlon | 10 |
| AMD Athlon XP | 11 |
| AMD Athlon64 | 12 |
| AMD Phenom | 12 |
| AMD Opteron | 15 |
| ARM7TDMI(-S) | 3 |
| ARM7EJ-S | 5 |
| ARM810 | 5 |
| ARM9TDMI | 5 |
| ARM1020E | 6 |
| XScale PXA210/PXA250 | 7 |
| ARM1136J(F)-S | 8 |
| ARM1156T2(F)-S | 9 |
| ARM Cortex-A5 | 8 |
| ARM Cortex-A8 | 13 |
| AVR32 AP7 | 7 |
| AVR32 UC3 | 3 |
| DLX | 5 |
| Intel P5 (Pentium) | 5 |
| Intel P6 (Pentium Pro) | 14 |
| Intel P6 (Pentium III) | 10 |
| Intel NetBurst (Willamette) | 20 |
| Intel NetBurst (Northwood) | 20 |
| Intel NetBurst (Prescott) | 31 |
| Intel NetBurst (Cedar Mill) | 31 |
| Intel Core | 14 |
| Intel Atom | 16 |
| LatticeMico32 | 6 |
| R4000 | 8 |
| StrongARM SA-110 | 5 |
| SuperH SH2 | 5 |
| SuperH SH2A | 5 |
| SuperH SH4 | 5 |
| SuperH SH4A | 7 |
| UltraSPARC | 9 |
| UltraSPARC T1 | 6 |
| UltraSPARC T2 | 8 |
| WinChip | 4 |
| LC2200 32 bit | 5 |
例如 Cortex-A15、Sandy Bridge 都分別具備 15 級(jí)、14 級(jí)流水線，而 Intel NetBurst（Pentium 4）、AMD Bulldozer 都是 20 級(jí)流水線，它們的工位數(shù)都遠(yuǎn)超出基本的四（或者五）工位流水線設(shè)計(jì)。更長的流水線雖然能提高頻率，但是代價(jià)是耗電更高而且可能會(huì)有各種性能懲罰。
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