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《计算机系统结构》课程报告——Intel系列CPU的流水线技术的介绍学号：1106840227姓名：刘启超班级导老师：顾一禾时间：2014-4-8在计算机系统结构这个课程中，我们学到了cpu相关的流水线技术。就目前而言，世界桌面级cpu制造商只有两家，AMD跟intel。其它诸如ARM、高通、MTK等移动端cpu制造商和IBM等服务器cpu制造商我们在这里暂不提及。这里只介绍intel的cpu流水线的相关技术与发展历程。下面就让我们来一一介绍intel系列的cpu的流水线技术，以及它的发展历程和未来展望。1.简介流水线（pipeline）技术是指在程序执行时多条指令重叠进行操作的一种准并行处理实现技术。流水线是Intel首次在486芯片中开始使用的。流水线的工作方式就象工业生产上的装配流水线。在CPU中由5—6个不同功能的电路单元组成一条指令处理流水线，然后将一条X86指令分成5—6步后再由这些电路单元分别执行，这样就能实现在一个CPU时钟周期完成一条指令，因此提高CPU的运算速度。经典奔腾每条整数流水线都分为四级流水，即指令预取、译码、执行、写回结果，浮点流水又分为八级流水。2. 分析影响CPU流水线性能的主要因素1、多个任务在同一时间周期内争用同一个流水段例如，假如在指令流水线中，如果数据和指令是放在同一个储存器中，并且访问接口也只有一个，那么，两条指令就会争用储存器；在一些算数流水线中，有些运算会同时访问一个运算部件。2、数据依赖比如，A运算必须得到B运算的结果，但是，B运算还没有开始，A运算动作就必须等待，直到A运算完成，两次运算不能同时执行。3、条件转移的影响如果第一条指令是一个条件转移指令，那么系统就会不清楚下面应该执行那一条指令。这时就必须等第一条指令的判断结果出来才能执行第二条指令。条件转移所造成的流水线停顿甚至比相关还要严重的多。3. 归纳Intel CPU解决影响流水线性能因素的结构及技术在Pentium III的时候主要采用的技术1. 采用超标量双流水线结构超标量流水线设计是Pentium微处理器技术的核心。所谓超标量就是处理器内部含有多个执行单元来完成多条指令的同时执行。Pentium有两条分别称为U和V的指令流水线，各自有独立的算术逻辑单元ALU及高速缓存结构。这种双流水线并行作业的方式，使得Pentium在每个时钟周期内可同时执行两条指令。此外，还有一个执行单元，保证同时完成一条浮点运算指令。在Pentium III时采用3条独立的12级超标量流水线。2. 分支预测技术为了减少由于转移导致流水线的效率损失，Pentium采用分支预测技术来动态预测指令的目标地址，从而节省了CPU的执行时间。通常在用户程序中包含不少的条件转移指令，在流水线计算机中，这些转移指令由于产生分支可能使予取和予译码指令作废。 Pentium内部有两个予取指令缓冲队列，在执行条件转移指令前，一个以顺序方式予取指令，另一个以转移方式予取指令，后者也称作分支目标缓冲器BTB（Branch Target Buffer），这是一个小的cache，它基于转移指令，尤其是循环转移的固有特点，可以认为在大多数情况下，当一条转移指令被再次执行时，其成功与否及转移目标与上次相同。据此可构造动态的分支目标预测硬件。BTB是一种效果较好的硬件机制，统计表明BTB的容量较大时（如超过256项）预测准确率可达90%。通过这种动态分支预测技术，不管是否产生转移，所需指令都在执行前予取好。3. 通过乱序来优化指令流水线在执行中采取了无序执行(out－of－order processing)技术。即当某条指令需要一些数据而未能立即执行完毕时，它将被剔出流水线并等待数据，CPU则马上执行下条指令，就好比在装配线上发现某件产品不太合格，而被淘汰，等待返工一个道理。这样，可以防止一条指令不能执行而影响了整个流水线的效率。4. 将指令划分为更细的阶段在P6架构的CPU中将指令划分成了更细的阶段，从而使逻辑设计、工序等等更为简化，提高了速度。在486芯片中，一条指令一般被划分为五个标准的部分，奔腾亦是如此。而在P6中，由于采用了近似于RISC的技术，一条指令被划分成了创纪录的十四个阶段。这极大地提高了流水线的速度。在Pentium IV中增加采用的技术如下1. 使用高级动态执行(Advanced Dynamic Execution)为支持乱序执行和提高分支预测精度, 高级动态执行机制可以检查126条指令, 并决定执行次序, 配合128个重命名寄存器, 具有更高的预测精度。与PIII相比, 大约可减少1/3的预测错误。动态执行技术一般指集分支预测、数据流分析(即乱序执行)和猜测执行三种技术于一身。2. 执行跟踪缓存 (Execution Trace C