什么是“每个周期的指令”？

Question

我一直在学习更多关于处理器如何工作的知识，但我无法找到关于每个周期指令的直接答案。

例如，我的印象是四核 CPU 每个周期可以执行 4 条指令，因此以 2Ghz 运行的四核 CPU 每秒可以执行 80 亿次操作。是这种情况吗？

我敢肯定它过于简单化了，但是如果有指南或其他我可以用来让自己直截了当的东西，我绝对愿意接受想法。

Answer 1

我喜欢用洗衣的比喻来思考它。CPU 指令就像一大堆衣服。您需要为每个负载使用洗衣机和烘干机。假设每个运行需要 30 分钟。那就是时钟周期。旧 CPU 会先运行洗衣机，然后运行烘干机，每次都需要 60 分钟（2 个周期）来完成每件衣物。

管道： 管道是指您同时使用两者——您先清洗一个负载，然后在干燥时清洗下一个负载。第一次加载需要 2 个周期才能完成，但第二个加载在 1 个周期后完成。因此，除了第一次加载外，大多数加载只需要一个周期。

超标量：将 所有衣物带到自助洗衣店。获取 2 个垫圈并将它们都装入。完成后，找到 2 个烘干机并同时使用它们。现在，您可以在 60 分钟内清洗和烘干 2 件衣物。即 2 个周期中的 2 个负载。每次加载仍需要 2 个周期，但您现在可以执行更多操作。现在平均时间是每个周期 1 个负载。

带流水线的超标量： 清洗前 2 个负载，然后在干燥时，用接下来的 2 个负载加载垫圈。现在，前 2 次加载仍需要 2 个周期，然后在 1 个周期后完成接下来的 2 个加载。因此，大多数情况下，您在每个循环中完成 2 次加载。

多芯：将一半的衣物交给母亲，她也有 2 台洗衣机和 2 台烘干机。两个人一起工作，你可以完成两倍的工作。这类似于超标量，但略有不同。您不必自己将所有衣物移入和移出每台机器，她可以与您同时进行。

这太棒了，我们可以在相同的时间内比以前多洗八倍的衣服，而无需制造更快的机器。（时钟速度加倍：洗衣机只需 15 分钟即可运行。）

现在，让我们谈谈事情是如何出错的：

管道气泡： 您有一个污渍没有在洗涤中出现，因此您决定再次洗涤它。现在干衣机只是坐在那里，等着做点什么。

Cache Miss：运送脏衣服的卡车堵在路上。现在您有 2 台洗衣机和 2 台烘干机，但您没有完成任何工作，因为您必须等待。

根据出错的频率，我们不可能每个周期都完成 4 次加载，因此实际完成的工作量可能会有所不同。

分支预测：嗯，你开始在干净的衣服上洗衣服，以防以后弄脏它们，这样它们就已经干净了......_{好吧，这就是类比分解的地方......}

Answer 2

您可能应该查找的关键字是CISC、RISC和超标量架构。

国际证券交易委员会

在 CISC 架构（x86、68000、VAX）中，一条指令功能强大，但需要多个周期来处理。在旧架构中，周期数是固定的，现在每条指令的周期数通常取决于各种因素（缓存命中/未命中、分支预测等）。有表格可以查找那些东西。通常还可以方便地实际测量特定情况下某条指令需要多少个周期（请参阅性能计数器）。

如果您对 Intel 的详细信息感兴趣，Intel 64 and IA-32 Optimization Reference Manual是一本非常好的读物。

RISC

RISC（ARM、PowerPC、SPARC）架构意味着通常一条非常简单的指令只需要几个（通常只有一个）周期。

超标量

但无论是 CISC 还是 RISC，都有超标量架构。CPU 不是在处理一条又一条指令，而是同时处理许多指令，非常像流水线。

结果是：如果您只是查找程序中每条指令的周期，然后将它们全部加起来，您最终会得到一个数字方式到高。假设您有一个单核 RISC CPU。处理单条指令的时间永远不会少于一个周期的时间，但整体吞吐量很可能是每个周期的几条指令。