氮氣
——中央處理器加速技術解密

蒲青文 西昌學院

氮氣，作為超級跑車在賽道上扭轉乾坤的利器，可以將引擎的最后一點潛能完全壓榨出來，以此獲得爆裂般的加速。而CPU作為對速度有更高要求的計算機核心部件，對于速度的追求自然是用戶以及工程師們的終極夢想，因此各個實驗室的工程師們也必將為此絞盡腦汁……

我們就以Intel CPU的發展為例為簡要闡述一下CPU中的“氮氣”加速技術是怎么一點點被開發出來的。

1 原始級，蠻荒狀態-1987年

Intel在1978-06-08創造了8086處理器，這時處理器的執行流程非常簡單，就是從內存中讀取操作碼后將操作碼譯碼解析成微指令，并由微指令驅動邏輯電路去完成具體計算操作，然后再讀取下一條指令。

以上操作可被概括為取指令、譯碼和執行這三步，而且每次都要等到這三個步驟都完成后才能執行下一條指令。

2 上古級，指令緩存-1982年

由于CPU的執行速度遠高于內存的讀取速度，因此Intel發現整個CPU的性能瓶頸出現在內存讀取這一環節上。而又因為絕大多數指令編譯的操作碼僅幾個字節大小，所以Intel在1982年發布了一款新CPU 80186，并且增加了指令緩存機制。

80186擁有一個6字節的指令緩存器，在每次剩余空間大于等于3字節時，80186就會自動提前將下一條指令從內存中讀取進來，進而大大降低了操作碼的讀取延遲。

3 古代級，數據緩存-1985年

由于指令緩存機制在80186上取得了巨大成功，因此Intel在1985年發布的80386上面將指令緩存提高到了最大8KB，相較80186增加了1300余倍，并增加了數據緩存機制。

4 近代級，多流水線-1989年

由于內存的延遲已經被Intel在80386上盡可能的優化，因此Intel的工程師們這一次將優化的目光鎖定在指令執行的流程上，他們首先將指令的執行細分為五個步驟，分別為:

Step1:取指令，將操作碼從指令緩存中取出；

Step2:譯碼，將操作嗎翻譯為具體的微指令；

Step3:轉址，將內存地址和偏移進行轉換；

Step4:執行，指令在該階段真正執行運算（由微指令控制硬件邏輯電路去完成）；

Step5:退出，將執行結果寫回到寄存器或者內存。

一個指令必須要經過這5步才能執行完成，而CPU執行這5步所需要占用的CPU時間就被稱之為這條指令執行所需的時鐘周期，需要時鐘周期越短的指令，其在一秒鐘內可以執行的次數就越多，效率就越高。

Intel在1989年第一次將五級流水線技術應用到了80486處理器中，使得新處理器在頻率僅為上代一倍多的情況下獲得了數倍于上代CPU的理論執行速度。

5 現代級，超流水線-1993年

既然流水線這么強悍，那么為什么不多搞一些呢？其實Intel的工程師們也是這么想的，因此Intel在1993年推出的首代奔騰（因為586這個代號被占用，所以啟用了新名字Pentium）處理器時，第一次將超標量流水線結構應用到自己的產品中。

新款奔騰處理器的超標量流水線由兩條五級流水線構成，但是限于一些底層邏輯限制，第二條流水線能夠執行的指令類別有所受限，并且在遇到類似于JMP、CALL等轉移指令時會使得第二條流水線失效，但是即便如此，啟用超流水線結構的CPU也比其他同等工況下快了近1倍。

6 次代級，亂序執行-1995年

通過流水線的優化讓Intel的工程師們嘗到了甜頭，但是因為程序代碼的前后順序邏輯等問題，在增加過多的流水線對于指令的執行速度不會再有明顯的提高，因此Intel的工程師們將優化目標錨定在流水線本身邏輯的修改及加強上。

Intel在1995年推出的奔騰Pro處理器中首次應用了可以極大改進流水線工作效率的亂序執行（Out-of-Order, OOO）技術，并且為了緩解因JMP、JNZ等轉移指令對超標量流水線的影響而推出了指令預測（猜測執行/分支預測）技術，這兩種技術的出現使得Intel的流水線已經被優化到了極致。除此之外，奔騰Pro更是將原先的五級流水線升級到了12級，這使得奔騰Pro處理器中的每條流水線理論上可同時執行12條指令。

經過如此優化的流水線已經明顯不符合當時的主流情況，進而導致奔騰Pro上的流水線在大多數情況下實際是在等待新指令的傳入，而正是由于Intel這次跨時代的流水線優化，使其早在23年前便為今天的漏洞埋下了禍根，并且使其養成了擠牙膏的壞習慣，看來車開的太快果然容易出問題。

7 后現代級，超線程-2002年

由于上次亂序執行與指令預測的雙劍合璧，使得CPU處理指令的速度飆漲，進而導致指令被執行的速度比處理器能夠提供指令的速度更快，因此CPU的超標量流水線部件在大部分時間處于空閑狀態。為了讓整套流水線部件能夠完全發揮其應有的作用，Intel在2002年為奔騰4處理器加入了第二套前端部件（例如寄存器、譯碼器等），這樣對于操作系統來說，它就能看到兩個處理器了。這樣來自兩套前端部件的所有的指令被一個共享的流水線部件執行，進而充分的發揮了其本來作用，而這種技術就被稱之為超線程。