计算机系统结构课程报告

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1、《计算机系统结构》课程报告Intel系列CPU流水线技术的发展姓名：周一鸣学号：912106840640班级：9121062302流水线(pipeline)技术是指在程序执行时多条指令重叠进行操作的一种淮并行处理实现技术。流水线是Intel首次在486芯片中开始使用的。流水线的工作方式就象工业生产上的装配流水线。在CPU屮由5-6个不同功能的电路单元组成-条指令处理流水线，然后将•-条X86指令分成5-6步后再由这些电路单元分别执行，这样就能实现在一个CPU时钟周期完成一条指令，因此提高CPU的运算速度。经典奔腾每条整数流水线都分为四级流

2、水，即指令预取、译码、执行、写回结果，浮点流水又分为八级流水。Intel系列CPU发展历程及相关技术：从一个非常广的角度来说，X86处理器架构在近35年来并没有变化太多。虽然X86架构被附加丫很多新功能，但是最初的设计(包括几乎所有最初的指令集)仍然基本上是完整保留的，即使在最新的处理器上仍然被支持。最初的8086处理器支持14个寄存器，这些寄存器在如今最新的处理器中仍然存在。这14个寄存器中，有4个是通用寄存器：AX,BX，CX和DX;有4个是段寄存器，段寄存器用来辅助指针的实现：代码段(CS)，数据段(DS),扩展段(ES)和堆栈段(

3、SS);有4个是索引寄存器，用來指向內存地址：源引用(SI),S的引用(DT)，基指针(BP),栈指针(SP);有1个寄存器包含状态位；最后是最重要的寄存器：指令指针(IP)。指令指针寄存器是一个拥有特殊功能的指针。指令指针的功能是指向将要运行的下一条指令。所有的X86处理器都按照相同的模式运行。首先，根据指令指针指向的地址取得下一条即将运行的指令并解析该指令(译码)。在译码完成后，会有一个指令的执行阶段。有些指令用来从内存读取数据或者向内存写数据，有些指令用来执行计算或者比较等工作。当指令执行完成后，这条指令会通过退出(retire)阶

4、段并将指令指针修改为下一条指令。译码，执行和退出三级流水线组成/X86处理器指令执行的基本模式。从最初的8086处理器到最新的酷睿i7处理器都基本遵循了这样的过程。虽然更新的处理器增加了更多的流水级，但基木的模式没有改变。相较于现今的标淮，最初的处理器设计显得太过简单。最初的8086处理器的执行过程可以简述为从当前指令指针取得指令，通过译码，执行最后退出，然后继续从指令指针指向的下一条指令处取得指令。新的处理器增加了新的功能，有些增加了新的指令，有些增加了新的寄存器。我将主要关注和本文主题有关系的改变，这些改变影响/CPU指令执行的流程。

5、其他的一些变化比如虚拟内存或者并行处理虽然都很有意义而且有趣，但是并不在木文主题的范围内。指令缓存在1982年被加入到处理器中。通过指令缓存，处理器可以一次性从内存读取更多指令并放在指令缓存屮，而不用每条指令都从内存屮取。指令缓存仅有几个字节大小，只能容纳数条指令，但是因为消除了之后每次取指往返内存和处理器的时间，极大的提高的效率1985年的386处理器引入了数据缓存，而且扩展了指令缓存的设计。数据访存请求通过一次性读取更多的数据放在数据缓存中，从而提升了性能。而且，数据缓存和指令缓存都从几个字节扩大到几千字节。1989年推出的i486处

6、理器引入了五级流水线。这吋，在CPU中不再仅运行一条指令，每一级流水线在同一时刻都运行着不同的指令。这个设计使得i486比同频率的386处理器性能提升了不止一倍。五级流水线中的取指阶段将指令从指令缓存中取出(i486中的指令缓存为8KB)；第二级为译码阶段，将取出的指令翻译为具体的功能操作；第三级为转址阶段，用来将内存地址和偏移进行转换；第四级为执行阶段，指令在该阶段真正执行运算；第五级为退出阶段，运算的结果被写回寄存器或者内存。由于处理器同时运行了多条指令，大大提升了程序运行的性能。1993年Intel推出了奔腾(Pentium)处理器

7、。由于诉讼问题，Intel无法继续沿用原来的数字编号。因此，用奔腾替代了586作为新款处理器的代号。奔腾处理器相对i486处理器对流水线做出了更多修改。奔腾处理器架构增加了第二条独立的超标量流水线。主流水线工作方式类似于i486,第二条流水线则并行的运行一些较简单的指令，比如说定点算术，而且该流水线能更快的进行该运算。1995年Intel推出丫奔腾Pro(PentiumPro)处理器。和之前的处理器相比，奔腾Pro采用了完全不同的设计。该处理器采用了诸多新特性以提高性能，包括乱序(Oiit-of-Order,000)执行的部件以及猜测执行

8、。流水线扩展到了12级，而且引入了“超标量流水线”的概念，使得许多指令可以被同时处理。我们稍后将详尽的介绍乱序执行的部件。在1995-2002年之间，乱序执行部件经过了数次重大改进。处理器中加