[处理器芯片]-3 超标量CPU实现之取指

本文主要是介绍[处理器芯片]-3 超标量CPU实现之取指，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

1 超标量CPU结构

前端（Frontend）

前端负责从程序中提取指令，并将其转换为微操作送入CPU的流水线中。

1）取指单元：从指令缓存或内存中提取指令，并将其送入流水线。

2）分支预测单元：负责预测分支指令的执行路径，以提前加载正确的指令，减少分支带来的流水线停顿。

3）译码器：将获取到的指令解码成CPU内部理解的格式，以便后续阶段的执行。

4）寄存器重命名：将逻辑寄存器重命名为物理寄存器，以解决数据依赖关系，避免数据冒险，并提高指令级并行度。

5）分发和发射：将已经译码并重命名的指令发送到相应的执行单元，并在需要时进行缓存或排队。在发射阶段，指令被提交给调度器进行后续处理。

6）调度器：负责根据指令的依赖关系和可用资源，将指令调度到可用的执行单元中，包括确定指令的执行顺序，管理执行单元的利用率，并确保指令的正确执行。调度器还负责管理处理器的资源，包括执行单元、寄存器文件等，它会跟踪资源的使用情况，以确保所有指令都能够得到充分利用，同时避免资源冲突和竞争。

后端（Backend）

后端负责实际执行指令和处理数据。

1）执行单元：包括整数单元、浮点单元、加载/存储单元等，负责执行各种不同类型的指令。

2）寄存器文件：存储CPU中的通用寄存器和状态寄存器，执行单元从寄存器文件中读取操作数并将结果写回。

3）乱序引擎：实现乱序执行功能，动态地重新排序指令以最大程度地利用可用的执行单元。

4）访存单元：处理加载和存储操作，包括数据缓存和地址生成单元等。

5）写回单元：将执行单元计算得到的结果写回到寄存器文件或内存中。

2 取指单元

取指单元是CPU运行第一个阶段，主要由指令缓存和计算取指地址的逻辑单元构成，指令缓存是该阶段的核心内容。

1）内存结构

CPU 内存结构通常分为多层，从高速、小容量的高级缓存到低速、大容量的主存储器，以及可能的外部存储器（例如磁盘）,每一层都有不同的访问速度、容量和成本。

L1 缓存（一级缓存）：

现代处理器的 L1 缓存一般分为 L1 ICache（指令缓存）和 L1 DCache（数据缓存），每个缓存大小通常在16KB到64KB之间，访问延迟在1个时钟周期。

L2 缓存（二级缓存）：

L2 缓存的大小通常在数百KB到数MB之间，访问延迟相对于 L1 缓存会更长，大约在5到15个时钟周期之间。

L3 缓存（三级缓存）：

L3 缓存通常是共享的，用于多个 CPU 核心之间共享数据。它的大小通常在几MB到数十MB之间，访问延迟相对于 L2 缓存会更长，大约在10到30个时钟周期之间。

主存储器（主内存）：

主存储器是 CPU 访问数据的主要来源，其容量通常在几GB到数十GB之间，访问延迟相对于缓存会更长，通常在几十到数百个时钟周期之间。

2）指令缓存

指令缓存是一种特殊的高速缓存用于存储 CPU 执行的指令，提供快速访问指令的能力，以减少指令的访问延迟。

指令缓存分类

直接映射缓存：指令地址被映射到缓存中的一个固定的位置，每个指令地址只有一个可能的缓存位置。直接映射缓存的实现简单，在命中时可实现快速访问，但容易产生冲突。

全相联缓存：指令可以存储在缓存中的任何位置，没有固定的映射规则，每个指令地址都可以在缓存中的任何地方找到。全相联缓存通常需要更复杂的替换算法来管理缓存中的数据。

组相联缓存：缓存被分为多个组，每个组包含多个缓存行，指令地址被映射到某个组中的一个缓存行。组相联缓存结合了直接映射缓存和全相联缓存的优点，提供了更好的性能和成本效益。

替换策略选择

当需要访问的内存卡不在缓存中，触发缓存未命中，需要在缓存中选择剔除块进行替换，替换策略决定了当缓存满了时，哪个缓存块应该被替换掉，以便为新的数据腾出空间。

先进先出（FIFO）：替换最早进入缓存的块，不管最近的访问情况。使用一个队列来跟踪缓存块的进入顺序，最早进入的块在需要替换时最先被移出，实现简单硬件开销低，但命中率可能较低，不能有效利用缓存块的访问历史信息。

最近最少使用（LRU）：最近最少使用的指令被替换出去，需要维护一个访问记录列表或计数器，来跟踪每个缓存块的使用历史。具体实现可以通过链表、堆栈或计数器来记录每个缓存块的最近使用情况，具备较高的命中率，尤其是在具有较强局部性的访问模式下表现良好，是最简单的也是使用最广泛的一种替换策略。

随机替换策略（Random）：随机选择一个缓存行来替换，命中率通常较低，无法利用缓存块的访问历史信息。

最少使用（LFU）：替换访问次数最少的缓存块，假设使用频率较低的数据将来也不会被频繁访问。需要维护每个缓存块的访问计数器，对于具有固定访问模式的数据集，表现良好；对于变化频繁的访问模式，效果不佳。

最近最常使用（MRU）：替换最近最常使用的缓存块。需要跟踪每个缓存块的使用情况，与 LRU 类似，对于某些特定的工作负载，可能有优势。

分段最近最少使用（SLRU）：将缓存分为多个段例如冷热段，新加载的数据首先进入冷段，冷段的数据如果再次访问则提升到热段。分段缓存的管理需要两个或多个 LRU 列表，每个段有独立的 LRU 管理，提供更高的灵活性和命中率。

实例说明

L1 缓存：通常会采用 LRU 或 SLRU，因为这些缓存非常小（16KB到64KB），命中率至关重要，且访问速度要非常快。

L2 缓存：可能采用 SLRU 或 LFU，因为 L2 缓存的大小较大（256KB到2MB），需要在命中率和硬件开销之间取得平衡。

L3 缓存：可能采用更简单的替换策略如 FIFO 或 Random，因为 L3 缓存共享多个核心，且更关注缓存管理的整体效率。

指令缓存访问步骤

地址生成：CPU 发出指令访问请求时，会提供一个指令地址。

索引计算：根据缓存的组织结构，计算出指令地址在缓存中的索引。

索引比较：将索引与缓存中的索引进行比较，确定指令是否在缓存中。

标记比较：如果缓存中有匹配的索引，进一步比较标记以确定是否是所需的指令。

数据读取：如果命中缓存，就从缓存中读取所需的指令；如果缓存未命中，就从主存或下一级缓存中读取指令，并将其存储到缓存中以备后续访问。

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