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指令执行与流水线

处理器执行一条指令经过哪些阶段？​

  • 取指: 从内存读取指令字节;
  • 译码: 从寄存器文件读出指令所需操作数;
  • 执行: ALU 完成指令要求的运算;
  • 访存: 读写内存;
  • 写回: 把结果写回寄存器文件;
  • 更新: 计算下一条指令地址并写入程序计数器;
  • 时序: 各阶段的动作由时钟统一节拍;

非流水线和流水线化有什么区别？​

  • 非流水线: 一条计算走完全部阶段后才开始下一条, 各阶段轮流空闲;

非流水线化

  • 流水线化: 把计算划分为若干阶段, 用流水线寄存器保存阶段之间的临时结果;
  • 效果: 每个时钟周期有一条指令离开阶段 A 进入阶段 B, 同时有一条新指令进入阶段 A;

流水线化

流水线为什么提高吞吐量却增加延迟？​

  • 延迟: 执行一条指令所需的时间;
  • 吞吐量: 单位时间完成的指令数, 是延迟的倒数;
  • 收益: 各阶段并行工作, 让吞吐量接近最慢阶段的速度;
  • 代价: 流水线寄存器本身带来额外延迟, 单条指令并不更快;

流水线有哪些局限？​

局限后果
阶段划分不一致时钟周期由最慢阶段决定, 其他阶段空闲等待
流水线过深流水线寄存器的开销迅速增大

不一致的划分

流水线过深