最初设计的CPU结构简单,内部不复杂。之所以制造它是为了让机器自动跑程序,算数。

  早期CPU都是单周期的,人们没考虑那么多,性能啥的。就让CPU每个时钟周期跑一个指令,这些时钟周期等长。这样下来,有的指令跑完耗时长,有的指令跑完耗时短, 而CPU是走完一条指令再处理下一条的,给每个指令的时钟周期都是相同的,那么木桶原理,时钟周期肯定就是耗时最长的指令所需的时间。后来人们意识到了计算机的巨大威力,便开始专心制造更强的电子计算机。这时,为了提升CPU的速度,优化CPU的结构,有人设计了一套多周期CPU结构。对指令集的所有指令作分析,可以发现它们处理过程有相同的地方,那这下好了,我把所有的指令切成几段基本操作(换句话说,所有的指令都可以看成是几个基本操作的序列组成),例如:指令1可以看成{opA——>opC——>opV},指令2可以看成{opA——>opK——>opV——>opT}。然后让时钟周期适配op,而不是单条指令。每个指令需要多个周期(周期值较小)。这里的多周期CPU依然是逐条执行每个指令。下图为一个多周期CPU的控制器状态自动机。

  举例对比上面所述单周期CPU和多周期CPU的耗时:

    CPU的指令集Ins中有多条指令,指令4耗时最长,执行一次它需要800ps。

    单周期CPU的时钟周期最少设为800ps。此时假如我们要执行指令1,2,3,4,5,6,那么总共耗时6x800ps=4800ps。

    多周期CPU,分别可以把指令123456分解为3个op,2个op,4个op,8个op,3个op,5个op。每个op延时为100ps。那么假如我们要执行指令1,2,3,4,5,6,则总共耗时为(3+2+4+8+3+5)x100ps=2500ps。

    这样一对比多周期CPU相较于单周期CPU的优势是不是很明显啦。

  在这之后,有人发现了上面所说的多周期CPU还可以改进优化提速,他把流水线的思想拿到了CPU设计上,允许指令并行执行,这样一来速度又得到了提升。现在的CPU基本都是使用流水线技术设计的CPU。

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