为什么在指令集架构中“执行”位于“内存”之前？

Question

我在 3 年前学习了处理器架构。

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

在执行指令[ mov (%eax) %ebx]时，它不需要访问内存吗？

谢谢！

Answer 1

让我们记住经典的 RISC 流水线，通常研究它：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 = 寄存器回写

在 RISC 中，您只能使用 loads 和 stores 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，对其进行缩放或添加偏移量）。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 - 从指令内存中获取指令
• 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”并将结果传递到下一阶段 MEM（作为内存中的地址）
• MEM - 从EX 阶段（来自 ALU）获取地址，进入内存并获取值（这个阶段可能需要几个滴答声才能到达内存并阻塞管道）。将值传递给WB
• WB - 从MEM 获取值并将其传递回寄存器文件。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[%eax]内存中加载字T，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运算。这在最简单的 RISC (MIPS) 管道中不容易表示。

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，并与 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，但确实会为地址计算创建停顿
• mips 中的所有阶段都需要一个周期，而英特尔在某些阶段可能需要多个周期。这会造成不对称的性能

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 的流水线很长（典型的是 16 个阶段），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类似 RISC 的微操作（有时在微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 microop 用于地址计算，然后是 microop 用于内存加载，然后是 microop 用于 ALU 操作。微操作之间会有依赖关系，并计划到不同的执行端口。