解决方案:介绍cpu的超标量技术

CPU性能指标

（1)CPU的时钟频率称为主频率，主频率越高，计算机工作越快；主板的e69da5e887aa323336353333737频率称为外部频率；主频率与外部频率是：

（2)内部缓存（缓存），也称为一级缓存（L1缓存）。这种内存由SRAM制成，并封装在CPU内部。访问速度与CPU频率相同。内部缓存容量越大，则整个机器的运行速度就越快。一般容量为KB。

主频率= FSB×乘数

（3)2级缓存（L2缓存）。集成在CPU外部的高速缓存。访问速度与CPU频率或主板频率相同。容量通常为KB〜MB。

（[4)MMX（多媒体扩展）指令技术。添加多媒体扩展指令集的CPU，可以将多媒体信息的处理能力提高大约60％。

（5)3D指令技术。增加了3D扩展指令集CPU，可以大大提高3D图像的处理速度。

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CPU的全名是中央处理器，这是中央处理器。如今，CPU已从其原始形式发展到了发展。由于日益先进的制造技术，其集成度越来越高，内部晶体管的数量已达到数百万。尽管从最初的CPU到现在，晶体管的数量增加了数十倍，但CPU的内部结构仍可以分为三个部分：控制单元，逻辑单元和存储单元。 CPU的性能大致反映了配置它的微型计算机的性能，因此CPU的性能指标非常重要。 CPU的主要性能指标如下：

第一：主频率，它是CPU的时钟频率，或简称为CPU的工作频率。一般来说，一个时钟周期内完成的指令数量是固定的，因此主频率越高，CPU速度就越快。但是，由于各种CPU的内部结构不同，因此无法使用主频率来概括CPU的性能。 FSB是系统总线的工作频率。乘数是指CPU FSB与主频率之差。计算公式为：主频率=外部频率×倍频。我们通常说的Celeron 433、PIII 550是指CPU的主频率。

第二个：内存总线速度或总系统路由速度通常等于CPU的FSB。内存总线的速度对于整个系统的性能非常重要。由于内存速度的发展滞后于CPU的发展，为了缓解内存造成的瓶颈，出现了二级缓存来协调两者之间的差异。内存总线速度是指CPU与辅助服务器（L 2)高速缓存和内存）之间的工作频率。

第三：工作电压。工作电压是指CPU正常运行所需的电压。早期的CPU（386、486）由于技术落后，其工作电压通常为5V，当开发到Pentium 586时，它已经是3.5V / 3.3V /2.8V。 CPU随着制造工艺和主频的提高，CPU的工作电压逐渐降低，英特尔最新的Coppermine采用了1.6V的工作电压，低电压可以解决功耗过多和热量过多的问题一代。对于笔记本电脑尤为重要。

第四：协处理器或数学协处理器。在486之前的CPU中，没有内置的协处理器。由于协处理器的主要功能是负责浮点运算，因此微计算机CPU（例如386、286、8088）的浮点运算性能相当落后。从486开始，CPU通常具有内置的协处理器。处理器的功能不再局限于增强的浮点运算。现在，通常针对多媒体指令对CPU的浮点单元（协处理器）进行了优化。例如，英特尔的MMX技术，MMX是“多媒体扩展指令集”的缩写。 MMX是Intel公司于1996年采用的一项新技术，用于增强视听，图形和通信应用中的Pentium CPU。 CPU中增加了57条新的MMX指令，从而将多媒体处理能力提高了约60％。

第五：管道技术，超标量。流水线（pipeline）是英特尔在486芯片中的首次使用。该装配线的工作方式类似于工业生产中的装配线。在CPU中，一条指令处理流水线由功能不同的5〜6个电路单元组成，然后将X86指令分为5〜6个步骤，然后分别由这些电路单元执行，从而可以一条指令完成一条指令。 CPU时钟周期，从而提高了CPU的计算速度。超级管道意味着某种类型的CPU内部的管道超过了通常的5〜6个步骤。例如，奔腾Pro的管线长达14个步骤。流水线设计中的步骤（阶段）数量越多，完成一条指令的速度就越快，因此它可以适应工作频率更高的CPU。超标量意味着CPU可以在一个时钟周期内执行多个指令。这在486或更早的CPU上很难想象。只有奔腾级别以上的CPU才具有这种超标量结构。这是因为越来越多的现代CPU使用RISC技术，因此它们将成为超标量CPU。

第六：乱序执行和分支预测。无序执行意味着CPU采用一种技术，该技术允许将多个指令分别发送到每个相应的电路单元进行处理，而无需程序指定的顺序。分支是程序运行时需要更改的节点。有无条件分支和有条件分支。无条件分支仅要求CPU按指令顺序执行，而无条件分支则必须根据处理结果确定程序的方向是否改变。因此，需要“分支预测”技术。这是条件分支。

第七：L1缓存，这就是我们通常所说的第一级缓存。 CPU中的内置缓存可以提高CPU的效率。内置的L1缓存的容量和结构对CPU的性能影响更大，但是缓存由静态RAM组成，结构更为复杂。当CPU的管芯面积不能太大时，L1高速缓存的容量就不会太大。具有回写结构的缓存。它可以为读取和写入操作提供缓存。具有直写结构的缓存仅对读取操作有效。回写缓存基本上用于486以上的计算机。

第八：L2高速缓存，是指CPU外部的高速缓存。 Pentium Pro处理器L2和CPU以相同的频率运行，但是成本昂贵，因此Pentium II以CPU频率的一半运行，容量为512K。为了降低成本，英特尔生产了不带L2的CPU，称为赛扬（Celeron）。

第九：制造工艺，奔腾的CPU制造工艺为0.35微米，PII和Celeron可以达到0.25微米，最新的CPU制造工艺可以达到0.18微米，并将使用铜线技术可以大大提高了CPU集成度和工作频率。

六.多媒体指令集

CPU依靠指令来计算和控制系统。每个CPU都设计有一系列与其硬件电路相匹配的指令系统。指令的强度也是CPU的重要指标，指令集是提高微处理器效率的最有效工具之一。从当前的主流体系结构来看，指令集可以分为两部分：复杂指令集和精简指令集。就特定应用而言，例如英特尔的MMX（多媒体扩展），SSE，SSE2（流单指令多数据）-扩展2）和AMD的3DNow！是CPU的扩展指令集，分别增强了CPU的多媒体，图形和Internet的处理能力。我们通常将CPU的扩展指令集称为“ CPU指令集”。

1、使用简化的指令集

自从计算机首次发明以来的几十年中，随着计算机功能的增强，性能变得越来越强，内部组件越来越多，指令集也变得越来越复杂。过于复杂的指令严重影响了计算机的性能。工作效率。后来，经过研究，发现在计算机中，80％的程序仅使用指令集的20％。基于这一发现，提出了RISC精简指令集。这是计算机系统体系结构的一次深刻革命。 RISC体系结构的基本思想是：掌握CISC指令系统中指令种类过多，非标准指令格式，寻址方式过多的缺点，并通过减少指令类型，规范指令格式，简化指令的方式来实现。寻址方法，方便内部处理器的并行处理提高了VLSI设备的使用效率，从而大大提高了处理器性能。

RISC指令集具有许多特征，其中最重要的是：

指令类型和标准指令格式很少：RISC指令集通常仅使用一种或几种格式。该指令具有单个长度（通常为4个字节），并且在字边界上对齐。字段位置，尤其是操作码的位置是固定的。

简化的寻址模式：几乎所有指令都使用寄存器寻址模式，并且寻址模式的总数通常不超过5。其他更复杂的寻址方法，例如间接寻址，则是通过软件使用简单的寻址方法合成的。

广泛使用寄存器之间的操作：RISC指令集中的大多数操作是寄存器到寄存器的操作，并且仅使用简单的加载和存储操作来访问内存。因此，每条指令中访问的内存地址不会超过1，并且访问内存的操作不会与算术运算混合。

简化的处理器结构：使用RISC指令集可以大大简化处理器控制器和其他功能单元的设计，而无需使用大量的特殊寄存器，尤其是允许硬件电路代替CISC来实现指令操作处理它使用微程序来实现指令操作。因此，RISC处理器不需要像CISC处理器那样设置微程序控制存储器，并且可以快速直接地执行指令。

易于使用的VLSI技术：随着LSI和VLSI技术的发展，整个处理器（甚至多个处理器）可以放在一个芯片上。 RISC体系结构可以为单芯片处理器的设计带来很多好处，这有助于提高性能并简化VLSI芯片的设计和实现。基于VLSI技术，制造RISC处理器比CISC处理器具有更少的工作量和更低的成本。

增强处理器的并行性：RISC指令集可以非常有效地适应流水线，超流水线和超标量技术的使用，从而实现指令级并行操作并提高处理器的性能。目前，处理器常用的内部并行操作技术基本上是基于RISC体系结构的发展和成熟。

由于RISC系统的优点，它已广泛用于高端系统，而CISC系统在台式机系统中占据主导地位。如今，在台式机领域，RISC也正在渗透。预计将来，RISC将统治世界。

2、CPU的扩展指令集

对于CPU，就基本功能而言，它们差别不大，并且基本指令集也相似。但是，为了改善性能的某些方面，许多制造商已经开发了扩展指令集和扩展指令集定义。通过添加新的数据和指令，可以极大地提高某些领域的数据处理能力，但必须提供软件支持。

MMX指令集

MMX（多媒体扩展，多媒体扩展指令集）指令集是Intel在1996年推出的一种多媒体指令增强技术。MMX指令集包括57条多媒体指令。通过这些指令，可以一次处理多个数据，并且当处理结果超出实际处理能力时，可以执行正常处理。这样，在软件的配合下，可以获得更高的性能。 MMX的优点在于，现有操作系统无需更改即可轻松执行MMX程序。但是，问题也更加明显，即不能同时执行MMX指令集和x87浮点算术指令，必须进行密集的交织才能正常执行。这种情况将不可避免地导致整个系统的运行质量下降。

SSE指令集

SSE（流SIMD扩展，单指令多数据流扩展）指令集是由Intel在奔腾III处理器中首次引入的。实际上，在PIII正式发布之前，英特尔已经通过各种渠道宣布了所谓的KNI（Katmai新指令）指令集。该指令集也是SSE指令集的前身，曾经被许多媒体称为MMX。指令集的下一个版本，MMX2指令集。为了调查其背景，原始的“ KNI”指令集是英特尔首次为其下一代芯片命名的指令集的名称，而所谓的“ MMX2”完全是硬件评论家和英特尔对“ KNI”的评估。媒体基于他们的感受和印象。 ，英特尔从未正式发布有关MMX2的消息。

最终的SSE指令集是所谓的“ Internet SSE”指令集。 SSE指令集包括70条指令，其中包括50条提高3D图形运算效率的SIMD（单指令多数据技术）浮点算术指令，12条MMX整数算术增强指令以及8条内存中优化的连续数据块传输指令。从理论上讲，这些指令可以完全增强流行的多媒体应用程序，例如图像处理，浮点运算，3D操作，视频处理和音频处理。 SSE说明和3DNow！指令彼此不兼容，但是SSE包含3DNow！的大部分功能！技术，但实现方法不同。 SSE与MMX指令兼容，可通过SIMD和单个时钟周期并行处理多个浮点数据，从而有效地提高浮点运算的速度。

后来，英特尔在SSE的基础上开发了SSE2，以应对AMD的3Dnow！指令集，添加了一些指令，极大地提高了其P4处理器的性能。在P4设计结束之前，英特尔添加了一组SSE2指令集，其中包括144条新指令。像最早的SIMD扩展指令集一样，SSE2涉及在多个数据目标上立即执行一条指令（即SIMD，用于低计算工业控制的最佳方法是允许每条指令执行更多的工作）。最重要的是SSE2可以处理128位和双精度浮点数学运算。处理更精确的浮点数的能力使SSE2成为加速多媒体程序，3D处理项目和工作站类型任务的基本配置。但是重要的是该软件是否可以适当地优化其使用。

3D现在！ （3D无等待）指令集

3DN现在！它是AMD开发的SIMD指令集，可以提高浮点数和多媒体操作的速度，并且被AMD在其K6-2，K6-3和Athlon（K7）处理器）上广泛使用。3DNow！指令设置技术实际上是21种机器代码的扩展指令集。

3DNow！与专注于整数运算的英特尔MMX技术不同。指令集主要用于3D应用程序，例如3D建模，坐标转换和效果渲染。通过软件的协作，可以大大提高3D处理性能。 。后来，增强了3DNow！是在Athlon上开发的。这些AMD标准SIMD指令具有与英特尔SSE相同的性能。由于英特尔在商业上和奔腾III上的成功，对SSE的软件支持比3DNow！更为普遍。增强的3DNow！ AMD继续增加到52条指令（包括一些SSE代码），以便在针对SSE优化的软件中可以获得更好的性能。

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