28、超标量机器原理：缓存与奔腾处理器架构解析

超标量机器原理：缓存与奔腾处理器架构解析

1. 指令缓存

指令缓存对于CPU高效获取指令至关重要。L1指令缓存的访问时间可能为两个时钟周期，缓存行大小为8字节。CPU会从指令缓存中获取指令来填充指令队列。当出现缓存未命中时，指令缓存会提前预取一个16字节的内存块。如果向后循环分支的目标指令位于指令缓存中，那么可以在两个时钟周期内获取该目标指令。

设计指令缓存时，首先要确定缓存中的条目数量，并选择合适的搜索技术。若每个缓存条目包含一个8字节的数据字段，64个条目就能提供一个512字节的指令块，这对于大多数应用来说已经足够。由于指令流是一次从一个段中获取的，直接映射搜索方法更为合适。

1.1 直接映射

当物理块地址为33位时，将其高27位作为键存储，低6位用于直接选择一个缓存条目。这个条目只包含部分地址，因为其低6位用于获取块，这6位构成了指令缓存的索引。由于低6位用于选择条目，所以缓存只需要一个比较器。比较后，如果匹配则为命中，否则为未命中。

直接映射条目的格式包含一个27位的键和一个64位的数据，共91位。缓存有64个条目（E0 - E63），搜索操作分两步进行：
1. 对给定块地址的低6位进行解码，选择条目进入MOR。
2. 将MOR中的高27位与MAR中的键字段进行比较。若命中，64位数据字段作为输出被启用并时钟输入到指令队列；若未命中，缓存从中央内存的给定地址检索两个64位的指令块，并将它们存储到缓存中两个连续的条目中，第一个条目的索引由块地址的低6位确定，加1后得到第二个条目的索引。

虽然指令缓存只支持读操作，但这并不意味着程序中的指令不能被修改。实际上，任何指令只要先加载到数据寄存器中，