鲲鹏920流水线

Posted 2022-01-07 落别雨

华为鲲鹏处理器

• 华为鲲鹏处理器基于Arm架构。Arm是一种CPU架构，有别于Intel、AMD CPU采用的CISC复杂指令集，Arm CPU采用RISC精简指令集（reduced instruction set computer，精简指令集计算机）。
• 传统的CISC体系由于指令集庞大，指令长度不固定，指令执行周期有长有短，使指令译码和流水线的实现在硬件上非常复杂，给芯片的设计开发和成本的降低带来了极大困难。
• 随着计算机技术的发展需要不断引入新的复杂的指令集，为支持这些新增的指令，计算机的体系结构会越来越复杂。然而，在CISC指令集的各种指令中，其使用频率却相差悬殊，大约有20％的指令会被反复使用，占整个程序代码的80％。而余下的80％的指令却不经常使用，在程序设计中只占20％，显然，这种结构是不太合理的。
• RISC结构优先选取使用频率最高的简单指令，避免复杂指令。将指令长度固定，指令格式和寻址方式种类减少。以控制逻辑为主，不用或少用微码控制等措施来达到上述目的。
• Arm架构具有更好的并发性能，匹配业务特征能耗比更佳，更加灵活丰富的选择，业界热点快速发展。

ARM体系的总体思想

• 在不牺牲性能的同时，尽量简化处理器。同时从体系结构上灵活支持处理器扩展。采用RISC结构，RISC处理器简化了处理器结构，减少复杂功能指令的同时，提高了处理器速度。ARM及MIPS都是典型的RISC处理器。

ARM的流水线结构

• ARM处理器使用流水线来增加处理器指令流的速度，这样可以使几个操作同时进行。并使处理和存储器系统连续操作。
  ARM处理器分为三级
  取指：指令从存储器中取出；
  译码：对指令使用的寄存器进行译码；
  执行：从寄存器组中读取寄存器，执行移位和ALU操作，寄存器被写回到寄存器组中。

• 流水线对PC值的影响
  SPSR保存的程序状态寄存器，结构与CPSR完全一样，用来保存CPSR的值。以便出现异常时恢复CPSR的值。CPU内部的组成分为：指令寄存器，指令译码器，指令执行单元（包括ALU和通用寄存器组）CPU执行指令的步骤：取指->译码->执行
  取指：将指令从内存或指令cache中取入指令寄存器
  译码: 指令译码器对指令寄存器中的指令进行译码操作，辨识add，或是sub等操作
  执行：指令执行单元根据译码的结果进行运算并保存结果
  流水线操作：并发多条流水线（以3条为例）
  1-取指 译码 执行
  2-取指 译码 执行
  3-取指 译码 执行

• 鲲鹏920处理器的流水线支持2个访存指令的发射队列，如下图中的红色框内所示，其访存单元WB支持每拍2条读或写访存指令。