【OS学习笔记】十二现代处理器的结构和特点

本文是一个衔接点，上一篇文章以前都是学习8086实模式的知识。本文开始学习80386这种现代处理器的编程架构。由此进入保护模式的学习。点击链接查看上一篇文章：上一篇文章

1、现代处理器的结构和特点

1 流水线技术

处理器可以做很多事情，能够执行各种不同的指令，完成不同的功能，但这些事情大多不会再一个时钟周期内完成。执行一条指令，需要从内存中取指令，译码，访问操作数和结果，并进行移位、加法、减法、乘法以及其他任何操作。

为了提高处理器的执行效率和速度，可以把一条指令的执行过程分解成若干个细小的步骤，并分配给相应的单元来完成。各个单元的执行都是独立的、并行的。如此一来，各个步骤在时间上就会重叠起来，这种执行指令的方法，就是流水线（Pipe-Line）技术。

比如，一条指令的执行过程分为取指令、译码和执行三个步骤的话。假设每个步骤都要花一个时钟周期，那么如下图所示，如果采用顺序执行，则执行三条指令就要花9个时钟周期，没3个时钟周期才能得到一条指令的执行结果；如果采用3级流水线技术的话，则执行这三条指令只需要5个时钟周期，每隔一个时钟周期就能够得到一条指令的执行结果。

在这里插入图片描述

2、高速缓存技术

高速缓存，在以前的文章中有讲的很详细，这里不再赘述，直接查看以前的文章即可。

点解下面链接查看：

高速缓存

其实简单来说高速缓存就是为了弥补外存（内存条）的读写速度过于缓慢的缺陷。将内存中的一些指令和数据，缓存到高速缓存中，那么CPU可以不用访问内存而直接访问高速缓存，这样会快的多！！！

3、乱序执行技术

为了实现流水线技术，需要将指令拆分成更小的可独立执行部分，即拆分成微操作。

一旦将指令拆分成微操作，处理器就可以在必要的时候乱序执行。考虑以下程序：

mov   eax , [mem1]
shl   eax , 5
add   eax , [mem2]
mov   [mem3] , eax

这里add eax , [mem2]可以拆分成两个微操作。先从mem2对应的地址取数据，然后将数据与eax寄存器中存的数据相加，得到的结果存入eax寄存器。如此一来，在执行逻辑左移指令的同时，处理器可以提前从内存中读取mem2的内容。典型的，如果数据不在高速缓存中，那么处理器在获取mem1的内容后，会立即开始获取mem2的内容，与次同时，shl指令的执行早就开始了。

类似的这种乱序执行很多很多，总给不在赘述。

4、寄存器重命名技术

考虑以例子：

mov   eax , [mem1]
shl   eax , 3
mov   [mem2] , eax
mov   eax , [mem3]
add   eax , 2
mov   [mem4] , eax

以上代码做了两件事情，但是互不相干。

将mem1的内容左移3次后，传给mem2
将mem3的内容加2后，传给mem4

如果我们为最后三条指令使用不同的寄存器，就更能清楚的看明白，这两件事的互不相干性。事实上，处理器也是这么做的。处理器为最后三条指令使用了另一个不用的临时寄存器，因此，左移和加法指令可以并行的处理。

IA-32架构的处理器只有8个32位的通用寄存器，但通常都会被我们全部派上用场（甚至还觉得不够）。因此我们不能奢望在每个计算机中都使用新的寄存器。不过在处理器内部，却有大量的临时寄存器可用，处理器可以重命名这些寄存器，但是以代表一个逻辑寄存器，比如上述的EAX寄存器。

寄存器重命名以一种完全自动和非常简单的方式工作。每当指令写一个逻辑寄存器时，处理器就为那个逻辑寄存器分配一个新的临时寄存器。

在所有操作都完成之后，那个代表EAX的临时寄存器里面存的内容就会被写入真实的EAX寄存器，该处理过程称为引退。

所有通用寄存器，栈指针寄存器，标志寄存器，浮点寄存器，甚至段寄存器都有可能被重命名。

5、分支目标预测技术

流水线并不是百分之百完美的解决方案。实际上，有很多潜在的因素会使得流水线不能达到最佳的效率。一个典型的情况是，如果遇到一条转移指令，则后面那些已经进入流水线的指令就都无效了。换句话说，我们必须清空流水线，从要转移到的目标位置处重新取指令放入到流水线。

随着复杂架构下的流水线变得越来越长，程序分支带来的问题变得很大。为了解决这个问题，引入了分支预测技术。

从统计学的角度来看，有些事情一旦发生，下一次发生的概率很大。比如下面的程序片段：

		xor  si , silops:......cmp  si , 20jnz  lops

当jnz指令第一次执行时，转移一定会发生。那么处理器就可以预测，下一次它还会转移到标号lops处，而不是顺序往下执行。事实上，这个预测通常是很准的。

在处理器内部，有一个小容量的高速缓存器，叫做 分支目标缓存器（BTB）。当处理器执行了一条分支语句后，它会在BTB中记录当前指令的地址、分支目标的地址。以及本次分支预测的结果。下一次，在那条转移指令实际执行之前，处理器会查找BTB中，看有没有最近的转移记录。如果能找到最近的条目，则推测执行和上次相同的分支，把该分支的指令送入流水线。

当该指令执行时，如果预测是失败的，那么清空流水线，同时刷新BTB中的记录。这个代价很大。

细心的人早已发现，这其实就是一个缓存的思想！！！这个思想很牛逼！！！