计算机体系结构中的乱序执行技术
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关于环境保护的论文计算机已经成为了人们日常生活中不可或缺的工具,它们如今拥有着更高性能的中央处理器(CPU),大型内存和存储器以及更好的通信和输入/输出(I/O)设备。随着时间的推移,尤其是随着物理限制和功耗限制的增加,计算机体系结构设计也在不断进化和发展。目前的计算机体系结构大多数都采用的是乱序执行技术。
乱序执行技术指的是CPU在指令执行过程中,不必按照程序代码的顺序逐一执行每一条指令,而是可以选择在可执行的指令中按照合理的规则进行选择,并在保证程序结果正确的前提下尽可能快的完成指令的执行。在这种执行方式中,CPU可以在执行指令时通过并行化、推断等方式来提高程序执行速度。其目的在于提高程序执行的吞吐量和单指令延迟(latency),从而提高计算机性能。因此,乱序执行技术是计算机性能的重要因素之一。
理论基础:指令级并行
乱序执行技术的理论基础是指令级并行(ILP),即程序中那些可以在并行的条件下执行的指令。在指令级并行执行过程中,程序中不同的指令之间是可以并行执行的,比如可以同时执行加法和乘法运算。
遗憾的是,程序在设计和编写时通常是顺序执行的,这意味着并行执行的指令段会比顺序执行的指令段更加短,这造成了指令间的硬件竞争。在这种情况下,CPU的执行速度变缓,因为下一条指令必须等待前面的指令完成才能执行。
对于这一问题的解决方式就是引入了乱序执行技术。
乱序执行技术的基本原理
乱序执行技术的核心是“乱序”,也就是指令的执行可以在程序的指定顺序之外进行。
cf怎么调烟雾头乱序执行技术实际上分为两个基本步骤:指令重排序和数据依赖分析。雨后彩虹
指令重排序是为了充分利用指令的并行性,尽可能多的发掘计算机的运算能力和存储能力。指令重排序可以带来明显的性能提升,因为在顺序执行中,每个指令都会在它前面的指令执行完之后才会被执行,这种方式造成的浪费显然不是我们所希望的。
在指令重排序的过程中,CPU采用了一个缓存区域,称为指令窗口(instruction window)来保存不同指令的执行状态。指令窗口就相当于一个缓存,其中存储了一些已经进行过指令重排序的指令。当处理器执行顺序发生变化时,指令窗口就会被填充或清空。
神诸葛指令重排序工作的一般流程为:在程序执行过程中,处理器会在指令窗口中选取一组指令,然后将选中的指令按照某种策略重新排列,以确保每个指令的执行不会被其他指令阻塞。
而数据依赖分析就是为了解决因为指令之间可能存在的依赖问题而导致指令难以乱序执行的问题。具体来说,就是在指令执行前,需要检查所有指令之间的数据依赖性,因此,乱序执行技术不需要等待前面的指令,除非前面的指令对后面指令的执行所需的数据已经遍历完毕。
CPU如何维护指令执行顺序
由于乱序执行技术允许CPU在处理器执行指令时乱序执行,这增加了计算机处理能力,改善了整体性能。但同时,也带来了指令执行顺序的维护问题,因为一旦指令错乱,程序就会出现问题。
因此,在处理器中,一般会采用“记分牌”(scoreboarding)技术来维护指令执行的顺序。记分牌技术使用一个小型的数据结构来跟踪(scoreboard)计算机体系结构中的任何活动。
每个指令都有一个“scoreboard”项,作为指令的状态标志,记录当前指令的所有数据是否都已经存在以及哪些指令可以安全地执行。因此,CPU可以根据这种方法对执行指令的状态进行监视。
结论
韩红身高综上所述,乱序执行技术充分利用了指令级并行,并通过指令重排序和数据依赖分析来提高计算机体系结构中的性能,从而使得指令的执行不必按照程序代码的顺序逐一执行每一条指令,而是可以选择在可执行的指令中按照合理的规则进行选择,并在保证程序结果正确的前提下尽可能快的完成指令的执行。它提高了计算机性能和效率,但是同时也增加了指令执行顺序的维护难度。