《大话处理器》连载——微架构(3) 从子弹射击到指令执行

子弹的射击过程，可以被分成3个步骤：上膛、瞄准、射击。指令的执行过程，其实也可以划分为类似的3个步骤：取指、译码、执行。



指令的执行过程和射击过程的类比
指令存储在内存中，要被加载到内核中，这个过程就是取指。

指令是经过一定格式编码的，例如，MIPS的 J型指令格式如下：



MIPS的 J型指令格式

前面6 bit标识指令的操作码，即这条指令是干什么的，后面26 bit是这个跳转指令的跳转地址。指令是一串0、1序列，译码单元要将这条指令包含的有用数据解出来，如果是跳转指令，就要知道它的地址，如果是运算指令，就要知道的它的源操作数、目的操作数在哪，这样处理器才能进行后续的运算。

指令的执行就是真正进行运算的步骤，执行a+b=c就是在这个阶段进行。

低功耗嵌入式领域的经典产品ARM7就是采用这种3级流水线结构：



ARM7 3级流水线结构

流水线节拍描述：



3级流水线
指令的执行过程被划分为3个步骤，分别在不同的部件中执行。头2个cycle是指令的进流水线阶段，这时候处理器内部的3个部件没有百分百利用起来，在第3-5个cycle，处理器内部的3个部件全速运行，这时候处理器的执行效率最高。第6-7个cycle时，处于出流水的阶段，指令完全流出流水线时，指令执行结束。

执行步骤划分得越细，则每个步骤执行的时间越少，处理器的执行频率可以越高。通用CPU的流水线深度要比嵌入式处理器长，因此频率也高。流水线深度越深，处理器的内部结构也越复杂。