中央处理器CPU（2）---流水CPU与RISC

?1.流水CPU

（一看到这个就想起老家的流水席了，不知道各位吃过没。）

🌈1.1并行处理技术

对于计算机来说不论如何发展，最重要的一个追求目标就是很高的运算速度，冯诺依曼机是，现代计算机依然是，所以就不得不提及并行处理技术。

早期冯诺依曼机采用串行处理，即任意时刻只能进行一个操作，并行是使得以上各个操作能同时进行，从而大大提高计算机的运行速度。

并行的两种含义：

• 1）同时性：两个以上事物在同一时刻发生。
• 2）并发性：两个以上事物在同一时间间隔内发生。

所以并行有三种形式：空间并行，时间并行，时空并行

• 时间并行：让多个处理过程在时间上相互错开，轮流重叠的使用同一设备的各个部分，以加快硬件周转而赢得速度。
• 空间并行：是指在计算或处理过程中，同时使用多个处理单元或资源来执行并行计算或处理任务的能力。它是一种并行计算的形式，其中不同的处理单元同时处理不同的数据或任务，以提高计算或处理的效率和性能。
• 时空并行：指时间和资源重复的综合应用，同时利用上面两种，达到性能上的最高利用率。（这种技术的高速效益最好。）

而流水线CPU的设计就是根据上面的观点来设计的。

🌈1.2流水线CPU概念?

流水线CPU（Pipeline CPU）是一种计算机中央处理器（CPU）的设计和实现方式，旨在提高指令执行的效率和吞吐量。它将指令执行过程划分为多个阶段，并允许在同一时钟周期内同时执行多个指令的不同阶段。

例如去洗车我发现洗车流程是这样的：喷水、打泡沫、刷洗、擦拭、吹干。

（此图是我在隔壁某乎上借鉴的，比较形象）。

就这样一个工序完成后，车辆向下一个工序移动，当前工序又补进来一辆车。

同理流水线CPU就是按照这个思路来做事！！！

• 在流水线CPU中，指令执行过程被划分为多个独立的阶段，通常包括取指（Instruction Fetch）、译码（Instruction Decode）、执行（Execution）、访存（Memory Access）和写回（Write Back）等阶段。每个阶段负责完成特定的操作，而不同的指令则依次经过这些阶段进行处理。
• 流水线CPU中的每个阶段都有自己的专用硬件单元，这些单元可以并行地执行不同的指令。当一条指令进入流水线后，该指令的不同阶段会依次占用不同的硬件单元，形成一个流水线流程。这样，多条指令可以同时处于不同的阶段，从而提高指令执行的并行性和效率。
• 通过流水线技术，CPU可以在同一时钟周期内同时处理多条指令的不同阶段，从而实现指令级并行和提高吞吐量。

🌈1.3流水CPU的时空图

对于流水CPU，只需拿出三张图就可以让你对他爱的更深！

🌈1.4流水CPU的四个过程

在流水线CPU中，通常将指令执行过程划分为四个主要阶段，分别是指令获取（Instruction Fetch，IF）、指令译码（Instruction Decode，ID）、执行（Execution，EX）和写回（Write Back，WB）。（看看就行，考场就忘了）

下面是对每个阶段的简要描述：

1. 指令获取（IF）：在这个阶段，流水线从指令存储器（Instruction Memory）中获取下一条要执行的指令，并将其送入流水线。这个阶段通常包括指令地址计算、内存访问和指令缓存等操作。

2. 指令译码（ID）：在这个阶段，取出的指令被解码并分析其操作码和操作数。该阶段还包括寄存器文件（Register File）的读取，以获取指令所需的操作数。此外，还可能进行分支预测和处理异常等操作。

3. 执行（EX）：在这个阶段，使用译码阶段提供的操作数执行指令的实际计算或操作。这个阶段的具体操作取决于指令的类型，例如算术运算、逻辑运算、内存访问或条件分支等。执行阶段可能涉及ALU（算术逻辑单元）、乘法器、除法器和浮点运算单元等硬件。

4. 写回（WB）：在这个阶段，执行阶段的结果被写回到寄存器文件或内存中，以完成指令的执行。这个阶段通常涉及将计算结果写入目标寄存器或内存位置，并更新相应的状态信息。

👿1.非流水时空图

?👿2.流水时空图

👿3.超流水时空图

?

?超流水CPU比流水CPU功能更加厉害为啥不选这个？

答案很明确：你一天学10小时，没学够；学18个小时，正好，还有点意犹未尽；学23个小时学的挺多但是效果减半，还有可能直接猝死。

超流水（Superpipelining）是一种进一步细分流水线阶段的技术，旨在进一步提高流水线CPU的执行效率和吞吐量。在超流水设计中，CPU的流水线阶段数量更多，每个阶段的操作更细粒度，允许更快的时钟周期和更高的指令吞吐量。

尽管超流水技术在理论上可以进一步提高流水线CPU的性能，但在实践中并不常见，并且不被广泛推荐使用，主要有以下原因：

1. 数据冒险和控制冒险的风险增加：随着流水线阶段的增加，指令在流水线中的停顿和冲突的可能性也增加。数据冒险和控制冒险是流水线中常见的问题，在超流水设计中更容易发生。这些冒险会导致流水线停顿，降低吞吐量和性能。

2. 硬件复杂性增加：超流水设计需要更多的流水线阶段和更细粒度的操作，这会导致更多的硬件资源和更复杂的控制逻辑。这增加了设计、验证和实现的复杂性，可能导致更高的成本和更长的开发周期。

3. 时钟频率限制：随着流水线阶段的增加，每个阶段的操作时间必须缩短，以保持整个指令流水线的时钟周期不变。然而，更短的操作时间可能受到物理限制和电路延迟的限制，导致时钟频率的限制。这可能抵消了超流水设计带来的性能增益。

所以说别卷了，洗洗睡吧！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！

🌈1.5 流水线中的问题

要使流水线具有良好的性能，必须使流水线畅通流动，不发生断流。但由于流水过程中会出现以下三种相关冲突，实现流水线的不断流是非常困难的。这三种是：资源相关，数据相关，控制相关。

1. 资源相关（Resource Hazards），也称为结构相关（Structural Hazards），是指多个指令需要同时访问同一硬件资源，但该资源在同一时刻只能被一个指令所使用。这种冲突会导致指令无法同时执行，从而影响流水线的性能。

2. 数据相关（Data Hazards）：数据相关是指后续指令需要使用前一条指令的结果，但前一条指令的结果还未就绪或者不可用的情况。数据相关包括以下几种类型：读后写（Read-after-Write）相关：后续指令需要读取前一条指令刚刚写入的数据。写后读（Write-after-Read）相关：后续指令需要读取前一条指令刚刚写入的数据。写后写（Write-after-Write）相关：后续指令需要写入与前一条指令相同的寄存器或内存位置。

3. 控制相关（Control Hazards）：控制相关是指分支指令（如条件分支或无条件分支）的转移目标依赖于前一条指令的条件结果。在流水线中，当分支指令的条件判断结果还未就绪时，后续指令已经进入流水线并开始执行。这可能导致错误的分支预测和浪费的指令执行。常见的控制相关问题包括：分支相关（Branch Hazards）：分支指令的条件判断结果还未就绪，导致后续指令的执行路径选择出现错误。

?1.资源相关

2.数据相关?

?3.控制相关

引起原因：转移指令，当前指令有跳转，但流水已经开启后续指令处理过程。

1. 解决办法1：延迟转移法，让跳转的指令接在最后流水入口 。
2. 解决方法2：转移预测法，用硬件预测将来的行为，提前让转移指令进流水。

🌈1.6小结回顾

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2.CISC和RISC CPU

🌈2.1概念

• CISC（Complex Instruction Set Computer）和 RISC（Reduced Instruction Set Computer）是两种计算机体系结构的设计理念。
• CISC是一种复杂指令集计算机体系结构，它的设计思想是提供丰富而复杂的指令集，可以执行一条指令完成多个高级操作。CISC体系结构中的指令通常具有不同的格式和长度，可以执行复杂的操作，包括内存访问、算术运算、逻辑运算等。CISC体系结构的特点是指令集复杂、指令格式多样、指令执行周期长。

1. 常见的CISC架构包括x86架构。CISC 的典型代表： x86 架构
2. CISC优势： 少量指令实现大量功能，同时节省了程序本身的大小，降低内存空间的占用。
3. CISC 劣势： 指令集中包含的指令非常多， 而且功能复杂，难以理解。大多数场景下， CISC 的指令使用频率相差极为悬殊，其中 20% 的指令被频繁重复使用，占据了程序功能中的 80% 代码。而剩下的 80% 的指令被闲置。

• RISC是一种精简指令集计算机体系结构，它的设计思想是通过简化指令集，提高指令执行的效率和性能。RISC体系结构中的指令通常具有固定的格式和长度，执行的操作也比较简单和基本，例如加载、存储、算术和逻辑操作等。RISC体系结构的特点是指令集简单、指令格式统一、指令执行周期短。常见的RISC架构包括ARM和MIPS架构。

1. RISC 的典型代表： ARM 架构、THUMB 架构、RISC-V 架构。
2. RISC 优势： CPU 一个时钟周期能同时运行多条指令，效率得以提升， 同时指令集相对较少， 便于理解。
3. RISC 劣势：完成同样的功能，相比 CISC 来说要使用更多的指令， 导致内存空间要消耗的更多， 但是随着目前内存空间的持续增加，其实也不是什么大的问题。

🌈2.2RISC和CISC对比

CISC和RISC主要特征对比

? ? ? ? ? ? ? ? ? 比较内容	? ? ? ? ? ? ? ? ? ?CISC	? ? ? ? ? ? RISC? ? ? ??
?指令系统	复杂，庞大	?简单，精简
?指令数目	?一般大于200	?一般小于100
?指令格式	?一般大于4	一般小于4
?寻址方式	一般大于4	一般小于4
指令字长	不固定	等长
各种指令使用频率	相差很大	相差还不大
程序源代码长度	较短	较长
控制器实现方式	大多微程序控制器	大多硬布线控制器

• CISC和RISC之间的主要区别在于指令集的复杂性和执行效率。

1. CISC体系结构通过提供复杂的指令集，可以在一条指令中完成多个操作，但指令执行的效率相对较低。
2. 而RISC体系结构通过简化指令集，使得指令的执行更加高效，但需要更多的指令来完成复杂的操作。

随着技术的发展和计算机体系结构的演进，CISC和RISC之间的界限逐渐模糊。现代的处理器通常采用了一种混合的设计，称为CISC-RISC结合体（CISC-RISC Hybrid），它结合了CISC和RISC的优点，将复杂的指令翻译成更简单的内部微操作执行，以提高执行效率。

🎵2.3CPU知识小结

1. 早期的CPU由控制器和运算器组成。当今的CPU芯片由运算器，cache,控制器三部分。
2. CPU中至少有6种寄存器：指令寄存器，程序计数器，地址寄存器，数据缓冲寄存器，通用寄存器，状态条件寄存器。
3. CPU从存储器取出一条指令并执行这条指令的时间和称为指令周期。CISC中，由于各种指令的操作功能不同，各种指令的指令周期是不尽相同的，划分指令周期，是设计操作控制器的重要依据。RISC中，由于流水执行，大部分指令在一个机器周期完成。
4. 微程序设计技术是利用软件方式设计操作控制器的一门技术，具有规整性，灵活性，可维护性等一系列优点，因而在计算机设计中得到广泛应用。随着ULSI技术的成熟和对机器速度的要求，硬布线逻辑设计思想又得到重视。（微程序和硬布线的应用场景特性对比）。
5. 并行技术已成为计算机发展的主流，并行处理技术可贯穿于信息加工的各个步骤和阶段。概括起来主要有三种形式:时间并行，空间并行，时空并行。
6. 流水CPU是以时间并行为原理设计的处理机。是一种是一种非常经济实用的并行技术。目前的高性能微处理器几乎都是用流速技术。
7. 流水技术的主要问题是：资源相关，数据相关，控制相关。为此需要采取相应的技术才能保证流水线不断流。
8. RISC CPU 是继承CISC CPU的成功技术，并在克服CISC的缺点基础上发展起来的。RISC三个基本要素：1.一个有限的简单指令系统，2.CPU配备大量的通用寄存器，3.强调指令流水线的优化。RISC机器一定是流水CPU。