3 处理器体系结构

现代微处理器可以称得上是人类创造出的最复杂的系统之一。一块手指甲大小的硅片上，可以容纳一个完整的高性能处理器、大的高速缓存，以及用来连接到外部设备的逻辑电路。从性能上来说，今天在一块芯片上实现的处理器已经使20年前价值1000万美元、房间那么大的超级计算机相形见绌了。即使是在像手机、导航系统和可编程恒温器这样的日常设备中的嵌入式处理器，也比早期计算机开发者所能想到的强大得多。 到目前为止，我们看到的计算机系统只限于机器语言程序级。我们知道处理器必须执行一系列指令，每条指令执行某个简单操作，例如两个数相加。指令被编码为由一个或多个字节序列组成的二进制格式。一个处理器支持的指令和指令的字节级编码称为它的指令集体系结构(Instruction-Set Architecture，ISA)。不同的处理器“家族”，例如Intel IA32和x86-64、IBM/Freescale Power和ARM处理器家族，都有不同的ISA。一个程序编译成在一种机器上运行，就不能在另一种机器上运行。另外，同一个家族里也有很多不同型号的处理器。虽然每个厂商制造的处理器性能和复杂性不断提高，但是不同的型号在ISA级别上都保持着兼容。一些常见的处理器家族(例如x86-64)中的处理器分别由多个厂商提供。因此，ISA在编译器编写者和处理器设计人员之间提供了一个概念抽象层，编译器编写者只需要知道允许哪些指令，以及它们是如何编码的；而处理器设计者必须建造出执行这些指令的处理器。 本章将简要介绍处理器硬件的设计。我们将研究一个硬件系统执行某种ISA指令的方式。这会使你能更好地理解计算机是如何工作的，以及计算机制造商们面临的技术挑战。一个很重要的概念是，现代处理器的实际工作方式可能跟ISA隐含的计算模型大相径庭。ISA模型看上去应该是顺序指令执行，也就是先取出一条指令，等到它执行完毕，再开始下一条。然而，与一个时刻只执行一条指令相比，通过同时处理多条指令的不同部分，处理器可以获得更高的性能。为了保证处理器能得到同顺序执行相同的结果，人们采用了一些特殊的机制。在计算机科学中，用巧妙的方法在提高性能的同时又保持一个更简单、更抽象模型的功能，这种思想是众所周知的。在Web浏览器或平衡二叉树和哈希表这样的信息检索数据结构中使用缓存，就是这样的例子。