轻松读懂移动处理器 CPU微架构全解析

ISA 的“实现”需要借助各种微架构，现在的处理器微架构基本上涉及以下部分：

流水线化

多核、多线程

SIMD 向量

存储系统分层结构

流水线

早期一些采用非常简单的指令集（注意，我们说的不是 RISC）的电脑是采用单周期设计的，取指、解码、执行、写回都是放在同一个拍（周期）内顺序完成，此时的 CPI(每指令周期数）基本上是 1，但是这样设计的效率很低：当取指的时候，其余工位都只能瞎瞪眼等开饭，这样的设计也被称作非流水线化执行。

上：非流水线化（顺序化）执行
下：流水线化执行

流水线化则是实现各个工位不间断执行各自的任务，例如同样的四工位设计，指令拾取无需等待下一工位完成就进行下一条指令的拾取，其余工位亦然。

世界上第一台采用流水线化指令执行的电脑为 1961 年的 IBM Stretch 或者说 IBM 7030，具备四级流水线工位，它同时也是 IBM 第一台晶体管化电脑。

这样原本四工位非流水线的一个周期是 800 个皮秒的话，在流水线设计的处理器上，虽然同样的指令完成时间依然是 800 皮秒，但是第二条指令则可能只需要在第一条指令完成时间加 200 皮秒即第 1000 皮秒就能完成，而非流水线设计则需要第 1600 皮秒才能完成。

常见的五周期（FDEMW）流水线形式，对同步处理器来说 Latch 之间为一拍（周期）
对 Pentium 4 这类异步处理器来说，个别工位（simple ALU）频率为双倍即 1/2 拍

RISC 指令集具备指令编码格式统一、等长的特点，在流水线设计设计上有得天独厚的优势，这样可以使得流水线工位设计相对于指令编码格式不统一、非等长的 CISC（例如 x86 的指令长度为 1 个字节到 17 个字节不等）来说显得更容易。

x86 可能需要将一些工位拆开（这意味着流水线工位更多或者流水线长度更深），例如英特尔的第一款流水线化处理器——486 的指令解码就是拆成两个工位。

流水线设计可以让指令完成时间更短（理论上受限于流水线执行时间最长的工位），因此将一些工位再拆开的话，虽然依然是每个周期完成一条指令，但是“周期”更短意味着指令吞吐时间进一步缩短，每秒能跑出来的指令数更多，这就是超级流水线的初衷。

例如 Cortex-A15、Sandy Bridge 都分别具备 15 级、14 级流水线，而 Intel NetBurst（Pentium 4）、AMD Bulldozer 都是 20 级流水线，它们的工位数都远超出基本的四（或者五）工位流水线设计。更长的流水线虽然能提高频率，但是代价是耗电更高而且可能会有各种性能惩罚。