【计算机基础】指令系统与流水线

摸鱼的时侯干点什么：学学指令系统和流水线的概念

0. Preface

每年都会有期末考试，每年都会有软考，每年都会有摸鱼的时候…

那么摸鱼的时候干什么呢？不如来学一下组成原理，本篇介绍CISC与RISC指令系统类型的异同，以及集流水线的概念。

下面开始！

学习目标

• 了解指令系统类型与流水线的概念
• 简单学学，让脑子里有这些概念，能应付软考

1. 指令系统

本节主要介绍 指令集的一些概念，纯理论。

1.1 指令集

指令集包括一系列操作码以及由特定处理器运行的基本命令。

51CTO-指令集-参考博文：https://blog.51cto.com/u_15064638/4677598

1.2 CISC 与 RISC

CISC 和 RISC 是指令集发展的两个途径。

CISC
Complex Instruction Set Computer, 复杂指令集计算机

• 基本思想：进一步增强原有指令的功能，用更为复杂的新指令取代原先由软件子程序完成的功能，实现软件的硬化。

RISC
Reduced Instruction Set Computer, 精简指令计算机

• 基本思想： 通过减少指令总数和简化指令功能，降低硬件设计的复杂度，使指令能单周期执行，并通过优化编译，提高指令执行速度，采用硬线控制逻辑，优化编译程序。

异同

指令系统类型	指令	寻址方式	实现方式	优点
CISC	指令数量多，使用频率差异大，可变长格式	支持多种	微程序控制技术（微码）	对特定的使用场景执行效率高
RISC	指令数量少，使用频率接近，格式定长，大部分为单周期指令，操作寄存器，只有Load/Store 操作内存	支持方式较少	增加了通用寄存器，硬布线逻辑控制为主，适合采用流水线	优化编译，有效支持高级语言

发展现状
CISC 与 RISC 严格区分的年代已经过去，现在CISC 与 RISC正逐步走向融合。

2. Pipeline 流水线

2.1 指令控制方式

指令的控制方式主要有以下几种：

• 顺序方式，即一条一条指令顺序执行，控制简单，效率低，不考虑并行问题

• 重叠方式，指在解释第K条指令的操作完成之前，就可以开始解释第K+1条指令，通常采用的是一次重叠。速度有所提高，控制也不复杂，但容易产生冲突、转移等问题。
  

• 流水方式，模仿工业生产过程的流水线而提出的一种指令控制方式。流水技术把并行或并发任务嵌入到计算机，将重复的顺序处理过程分解为若干子过程。在概念上，流水方式是重叠方式的延申，将多个任务分解为多个子过程。
  

2.2 流水方式相关计算

2.2.1 流水周期及执行时间计算

例题
若指令流水线把一条指令分为取指，分析和执行三部分，且三部分的时间分别为 取指2ns，分析2ns，执行1ns，求流水线周期，以及100条指令全部执行完毕需要的时间是多少？

解题思路

• 流水线周期：执行时间最长的一段
  上面的例题执行时间最长的为取指和分析都为2ns，取其中一个，即周期2ns；
• 理论执行时长：第1条指令执行完毕总时长+剩余指令数乘以执行周期
  即：(2+2+1)+99*2 = 203(ns)
• 将每个段都看成是一个流水线周期的时长：这种方式直接将段数乘以周期+剩余指令乘以执行周期数
  即：(2*3)+99*2 = 204(ns)

2.2.2 流水线吞吐率计算

例题
若指令流水线把一条指令分为取指，分析和执行三部分，且三部分的时间分别为 取指2ns，分析2ns，执行1ns，求流水线吞吐率是多少？

解题思路

• 吞吐率 = 指令条数 / 流水线执行时间
  即：100 / 203

2.2.3 流水线加速比计算

例题
若指令流水线把一条指令分为取指，分析和执行三部分，且三部分的时间分别为 取指2ns，分析2ns，执行1ns，求流水线加速比？

解题思路

• 加速比 = 顺序执行的总时间 / 流水线执行时间
  即： 5*100 / 203