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輕松讀懂移動(dòng)處理器 CPU微架構(gòu)全解析

既然流水線設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)不間斷取指、解碼、執(zhí)行、寫回，那為何不干脆同時(shí)做幾條流水線一起取指、解碼、執(zhí)行、寫回呢？這就引出了超標(biāo)量設(shè)計(jì)。

上圖就是一個(gè)三路超標(biāo)量四工位流水線的指令/周期執(zhí)行示意圖，可以看到 CPI 從 1 變成 0.33，即每周期執(zhí)行 3.33 條指令，這樣的改進(jìn)幅度是令人著迷的，因此在初期的時(shí)候超標(biāo)量甚至被人們贊美為標(biāo)量程序的向量式處理。

不過(guò)在現(xiàn)實(shí)中不可能都這樣，因?yàn)楝F(xiàn)在的處理器執(zhí)行不同指令時(shí)候的“執(zhí)行”段工位并不完全一樣，例如整數(shù)可能短一些，浮點(diǎn)或者向量和 Load/Store 指令需要長(zhǎng)一些，加上一些別的因素，實(shí)際大部分程序的實(shí)際 CPI 都是 1.x 甚至更高啊。

例如：

a = b * c
d = a + 1

這里的第二條指令需要使用到第一條指令的計(jì)算結(jié)果，因此必須等待第一條指令完成后才能跑第二條指令，更重要的是，在不少處理器上乘法指令并非一個(gè)周期而是需要多個(gè)周期才能完成。在遇到這樣的情況時(shí)，就不能實(shí)現(xiàn)多指令發(fā)射而且會(huì)出現(xiàn)流水線停頓。