x86体系架构

内容纲要

执行指令主要步骤(MIPS)

IF取指令阶段

取指令(Instruction Fetch)阶段是将一条指令从主存中取到指令寄存器的过程。程序计数器PC中的数值,用来指示当前指令在主存中的位置。当一条指令被取出后,PC中的数值将根据指令字长度自动递增:若为单字长指令,则(PC) + 1 -> PC:若为双字长指令,则(PC) + 2 -> PC,以此类推。

ID指令译码阶段

取出指令后,计算机立即进入指令译码(Instruction Decode)阶段。在指令译码阶段,指令译码器按照预定的指令格式,对取回的指令进行拆分和解释,识别区分出不同的指令类别及各种获取操作数的方法。在组合逻辑控制的计算机中,指令译码器对不同的指令操作码产生不同的控制电位,以形成不同的微操作序列;在微程序控制的计算机中,指令译码器用指令操作码找到执行该指令的微程序的入口,并从此入口开始执行。在传统的设计里,CPU中负责指令译码的部分是无法改变的。不过,在众多运用微程序控制技术的新型CPU中,微程序有时是可重写的。

EXE执行指令阶段

在取指令和指令译码阶段之后,进入执行指令(Execute)阶段。此阶段的任务是完成指令所规定的各种操作,具体实现指令的功能。为此,CPU的不同部分被连接起来,以执行所需操作。如,若要求完成一个加法运算,算术逻辑单元ALU将被连接到一组输入和一组输出,输入端提供需要相加的数值,输出端将含有最后的运算结果。

MEM访存取数阶段

根据指令需要,有可能要访问主存,读取操作数,这样就进入了访存取数(Memory)阶段。此阶段的任务是:根据指令地址码,得到操作数在主存中的地址,并从主存中读取该操作数用于运算。

3# WB结果写回阶段

作为最后一个阶段,结果写回(Writeback)阶段把执行指令的运行结果数据“写回”到某种存储形式:结果数据经常被写到CPU的内部寄存器中,以便被后续的指令快速地存取;在有些情况下,结果数据也可被写入相对较慢、但较廉价且容量较大的主存。许多指令还会改变程序状态字寄存器中标志位的状态,这些标志位标识着不同的操作结果,可被用来影响程序的动作。
在指令执行完毕、结果数据写回之后,若无意外事件(如结果溢出)发生,计算机就接着从程序计数器PC中取得下一条指令地址,开始新一轮的循环,下一个指令周期将顺序取出下一条指令。

乱序执行,顺序提交

乱序执行的好处

  • 使就绪指令尽早得到执行
  • 为后续指令尽早提供数据

顺序提交的好处

  • 指令结果不能先于前面的指令回写到寄存器和存储器
  • 一旦分支预测错误,处于推测式执行中的指令直接丢弃执行结果,因而无负面影响

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