从Intel Skylake微架构探究现代CPU的“内在美”.doc

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1、从IntelSkylake微架构探究现代CPU的“内在美”　　CPU，一个现代人天天在用的元件。举凡手机、笔电里皆有其存在。然而，每当有新的CPU发布，我们关注于表象但华丽的数字，像是Cache的大小、CPU的执行时脉以及采用几纳米制程等。这一次，让我们撇除以上这些外在事物，一探现代CPU的微架构这个“内在美”吧。　　从2007年开始，Intel所采取的TIck-Tock策略，不断地提升个人电脑的计算速度。其中，TIck为纳米制程上的演进，每次新产品发布，便是华丽的数字以及技术的炫耀。然而，在Tock时，却没有多少人关注微架构的

2、改善。何不从现在起，一同认识Intel的Skylake微架构。　　在先前介绍CPU时，便说明CPU可以分成3个部分，分别为“控制单元”、“算数逻辑运算单元”与“暂存器”。控制元件会依据程序的指令，控制所要执行的功能。算术逻辑运算单元则负责进行各类运算。暂存器则分成两类，分别储存运算的资料，以及要接续执行的指令。　　现代的CPU也没有脱离这一类的规范。当将Skylake的元件分类，如下图，也区分成3大类。　　　　控制元件是FrontEnd，算术逻辑运算单元是OOO（OutOfOrder）ExecuTIonEngine，快取内存则有

3、储存资料的L1DCache、接续执行指令的L1ICache以及共用的L2Cache。那么，各个元件的有什么功能呢？就让我们看下去。　　各元件功能为何？　　首先，就从名字很有趣的OOOExecuTIonEngine开始介绍。OOO（OutOfOrder）是指在这一个运算单元里面，指令的运行顺序不会按照顺序，尽可能地让指令可以偷跑，让CPU处于满载状态。为了可以更明确的知道OOO的优点，就从简单的小数计算例子来看吧。　　在inorder的CPU中，每一次皆只能执行一个指令。假设CPU在浮点数计算需要5个CPU循环，而且一次只能执行一

4、个指令。进行这4个计算需要20个循环才能完成。那采用OOO技术的CPU呢？因为在OOO的CPU里面，它有多个计算核心，可以预先执行没有相依性的资料。　　　　　　在这个情况下，4个计算仅需15个循环便得以完成，大幅的提升效能。那么在Skylake内部，OOOExecutionengine究竟长什么样子呢？它一共有8个执行小单元、4个资料存取单元，以及4个计算单元。　　其中，每一个执行单元，皆有其可执行的指令，详细的功能图置于最后。　　假的资料相依性，断开链接的方法　　　　在前个例子中，可以发现第4个指令其实和第2个指令的x不相干。

5、第4个x实际上是运算新的资料。然而，在前一个例子里，他却需要等待第4个指令结束时，如果，可以将变数改名，将可以获得更进一步的平行。　　因此，在FrontEnd里面，有Renamer此一元件，负责将假的相依性剔除，以此获得更多效能改善。然而，在Skylake内部，实际上只有2个浮点数计算单元。因此，这4个指令总共需要12个循环才能结束。和最一开始的20个循环相比，执行时间大幅的减少。　　　　或许会有人说，这一类的功能一般的编译器就得以完成了，何必需要新增这一类的硬件增添麻烦呢？原因在于，目前的编译器为了让编译完成的程序，得以在多种

6、CPU上执行，因此，他只会用到基本的暂存器，然而，在现代的IntelCPU中，有更多的暂存器可以使用，为了避免对软件进行过多的更动，最后选择于硬件端完成这一类的工作。