程序员必知的 CPU 优化秘籍：深入浅出讲解指令流

程序通过编译生成CPU可执行的机器码进行运算，为此设计者在CPU指令执行的编排上做了许多优化工作。本文将从多程序调度执行指令的角度，对CPU指令执行的设计理念进行剖析，希望对你有帮助。

一、CPU 指令流水线设计的艺术

1. 指令串行化

我们首先回顾一下一条指令的执行过程：

• 读取指令电路根据寄存器给出的下一条指令地址读取指令(Instruction Fetch, IF)
• 译码电路执行指令译码(Instruction Decode, ID)
• 算术逻辑单元ALU执行指令(Execute, EX)
• 数据回写(Write Back, WB)

这些不同的动作都会交由不同的执行电路执行，我们以单核CPU为例剖析一下该过程，假设我们有4条执行指令，对应的步骤为：

• 加载指令1
• 指令1译码
• 指令1运算
• 指令1回写
• 指令2加载
• .......

假设每条指令执行一个步骤需要1ns，那么：

• 执行一条完整的指令需要经过4个步骤对应耗时4ns
• 4条指令也就是4*4ns也就是16ns

从CPU微观的角度来说，这就是一种串行的、单位时间内未能充分利用电路单元的流水线设计：

2. 流水线设计思想

为了解决这个问题，我们需要进行优化。上文提及，每条步骤都会对应一个电路，这意味着它们可以并行执行而不冲突。因此，我们可以采用流水线思想，尽可能地利用各个电路单元。例如，现在要执行指令1～4，对应的流水线设计思路为：

• 读取指令电路加载指令1加载，此时译码、运算、回写流程空闲，指令2排队
• 读取指令电路完成指令1读取，将其交由译码电路进行指令译码，同一时间可以从内存中加载指令2，此时运算和回写电路空闲
• 读取指令电路传递指令2，读取指令3，译码电路完成指令1解析，继续指令读取指令电路传递来的指令2
• ......

按照这种设计，指令1执行完成即4ns的时候，对应其它指令执行进度为：

• 执行2执行到alu逻辑单元计算，还差1步回写，即还需要1ns
• 指令3执行到译码，还差2步，即还需要2ns