本章節(jié)主要了解下什么指令集并行，用于理解前面章節(jié)多線程場(chǎng)景下出現(xiàn)的指令重排序問(wèn)題。
一、基礎(chǔ)概念
Clock Cycle Time (時(shí)鐘周期時(shí)間)
-
cpu主頻：即cpu內(nèi)核工作的時(shí)鐘頻率(CPU Clock Speed)。
通?？吹降腸pu參數(shù)2.5GHz、3.4GHz等就是指CPU主頻。作為cpu性能的重要參數(shù)，cpu主頻雖然與運(yùn)算速度之間沒(méi)有直接關(guān)系，但是對(duì)運(yùn)算速度的提升卻非常重要。
-
CPU 的 Clock Cycle Time（時(shí)鐘周期時(shí)間），等于主頻的倒數(shù)，意思是 CPU 能夠識(shí)別的最小時(shí)間單位。
比如說(shuō) 4G 主頻的 CPU 的 Clock Cycle Time 就是 0.25 ns，作為對(duì)比，我們墻上掛鐘的Cycle Time 是 1s
Cycle Per Instruction（CPI，指令平均時(shí)鐘周期數(shù)）
- 有的指令需要更多的時(shí)鐘周期時(shí)間，所以引出了 CPI （Cycles Per Instruction）指令平均時(shí)鐘周期數(shù)。
Instruction Per Clock Cycle（IPC）
- CPI 的倒數(shù)，表示每個(gè)時(shí)鐘周期能夠運(yùn)行的指令數(shù)。
CPU的執(zhí)行時(shí)間
CPU執(zhí)行時(shí)間 = 指令數(shù) * CPI * Clock Cycle Time
二、指令重排序優(yōu)化
在我們小時(shí)候，應(yīng)該都學(xué)習(xí)過(guò)類似的題目：
小明的媽媽在做飯，燒水需要5分鐘，洗菜需要5分鐘，做飯需要5分鐘，那么總共需要多少分鐘？
實(shí)際上述題目，在燒水時(shí)不耽誤洗菜，可以并行執(zhí)行的，也就是最后需要10分鐘就可以了。
現(xiàn)代處理器會(huì)設(shè)計(jì)為【一個(gè)時(shí)鐘周期，完成一條執(zhí)行時(shí)間最長(zhǎng)的 CPU 指令】，而這條指令還可以劃分為更小的階段。
一條執(zhí)行指令通常會(huì)分為以下5個(gè)階段：
- 取指令：instruction fetch (IF)
- 指令譯碼：instruction decode (ID)
- 執(zhí)行指令：execute (EX)
- 內(nèi)存訪問(wèn)：memory access (MEM)
- 數(shù)據(jù)寫回：register write back (WB)
如果向上面做飯的例子一樣，那么就會(huì)變成下面的樣子，三道菜，需要執(zhí)行三次相同的步驟：
如上的效率一定是不高的，所以CPU也會(huì)對(duì)其執(zhí)行方式作出優(yōu)化。
-
支持流水線（Pipeline）的處理器
現(xiàn)在CPU支持多級(jí)指令流水線，如上面介紹的，將指令分成5個(gè)步驟執(zhí)行的CPU，我們就稱之為五級(jí)指令流水線。這樣的CPU可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，同時(shí)執(zhí)行5個(gè)指令的不同階段。
本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，并沒(méi)有縮短單條指令執(zhí)行的時(shí)間，而是增加了在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)的指令執(zhí)行吞吐量。
-
超標(biāo)量（SuperScalar）處理器
處理器的內(nèi)核中一般有多個(gè)執(zhí)行單元（或稱功能單元），如算術(shù)邏輯單元、位移單元、乘法器等等。
未實(shí)現(xiàn)超標(biāo)量體系結(jié)構(gòu)時(shí)，CPU在每個(gè)時(shí)鐘周期僅執(zhí)行單條指令，因此僅有一個(gè)執(zhí)行單元在工作，其它執(zhí)行單元空閑。
超標(biāo)量體系結(jié)構(gòu)的CPU在一個(gè)時(shí)鐘周期可以同時(shí)分派（dispatching）多條指令在不同的執(zhí)行單元中被執(zhí)行，這就實(shí)現(xiàn)了指令級(jí)的并行。CPU 可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，執(zhí)行多于一條指令。
結(jié)論
鑒于CPU對(duì)于吞吐量的并行優(yōu)化，所以帶來(lái)了指令的亂序執(zhí)行問(wèn)題，也可以稱之為指令重排序優(yōu)化。
