processor - 为什么 "execute"在指令集架构中位于 "memory"之前？

Question

我 3 年前学习了处理器架构。

直到今天，我无法弄清楚为什么 execute 在顺序指令中位于 memory 之前。

在执行 [ mov (%eax) %ebx] 指令时，是否不需要访问内存？

谢谢!

Answer 1

让我们记住经典的 RISC 流水线，它通常被研究: http://en.wikipedia.org/wiki/Classic_RISC_pipeline 。以下是它的阶段:

IF = 指令获取

ID = 指令解码

EX = 执行

MEM = 内存访问

WB = 寄存器写回

在 RISC 中，您只能使用 load 和 store 来处理内存。内存访问指令的 EX 阶段将计算内存中的地址(从寄存器文件中获取地址，缩放或添加偏移量)。然后地址将被传递到 MEM 阶段。

您的示例 mov (%eax), %ebx 实际上是从内存中加载，无需任何额外计算，甚至可以在 RISC 管道中表示:

IF - 从指令存储器中获取指令

ID - 解码指令，将“eax”寄存器作为操作数传递给 ALU；记住“ebx”作为 WB 的输出(在控制单元中)；

EX - 在 ALU 中计算“eax+0”并将结果传递给下一阶段 MEM(作为内存中的地址)

MEM - 从 EX 阶段(来自 ALU)获取地址，转到内存并获取值(此阶段可能需要几个滴答才能到达内存并阻塞管道)。将值传递给 WB

WB - 从 MEM 获取值并将其传回注册文件。控制单元应将寄存器文件设置为模式:“Writing”+“EBX selected”

在真正的 CISC 指令中情况更复杂，例如 add (%eax), %ebx(从 T 内存中加载单词 [%eax]，然后将 T+ %ebx 存储到 %ebx )。该指令需要在 ALU 中进行地址计算和加法。这无法在最简单的 RISC (MIPS) 管道中轻松表示。

第一个 x86 cpu (8086) 没有流水线化，它在任何时候都只执行一条指令。但是由于 80386 有 6 个阶段的流水线，这比 RISC 更复杂。有关于它的管道的介绍，将它与 MIPS 进行比较: http://www.academic.marist.edu/~jzbv/architecture/Projects/projects2004/INTEL%20X86%20PIPELINING.ppt

幻灯片 17 说:

Intel 结合了 mem 和 EX 阶段以避免加载和停顿，但确实为地址计算创建了停顿

mips 中的所有阶段都需要一个周期，而 Intel 在某些阶段可能需要一个以上的周期。这会产生不对称的性能

在我的示例中， add 将在组合的“ MEM+EX”阶段执行几个 CPU 滴答，产生许多停顿。

现代 x86 CPU 有很长的流水线(典型的 16 级)，并且它们在内部是类似 RISC 的 CPU。解码器阶段(3 阶段或更多)将最复杂的 x86 指令分解为一系列内部 RISC 类微操作(有时在微代码的帮助下每条指令生成多达 450 个微操作；更典型的是 2-3 个微操作)。对于复杂的 ALU/MEM 操作，将有用于地址计算的微操作，然后用于内存加载的微操作和用于 ALU 操作的微操作。微操作之间会有依赖，并计划到不同的执行端口。