寄存器和指令管線化

快捷方式: 差异，相似，杰卡德相似系数，参考。

寄存器和指令管線化之间的区别

寄存器 vs. 指令管線化

寄存器（Register），是中央處理器內的其中組成部份。寄存器是有限存貯容量的高速存貯部件，它們可用來暫存指令、數據和位址。在中央處理器的控制部件中，包含的寄存器有指令寄存器（IR）和程序計數器。在中央處理器的算術及邏輯部件中，包含的寄存器有累加器。 在電腦架構裡，處理器中的暫存器是少量且速度快的電腦記憶體，藉由提供快速共同地存取數值來加速電腦程式的執行：典型地說就是在已知時間點所作的之計算中間的數值。 暫存器是記憶體階層中的最頂端，也是系統操作資料的最快速途徑。暫存器通常都是以他們可以保存的位元數量來估量，舉例來說，一個8位元暫存器或32位元暫存器。暫存器現在都以暫存器陣列的方式來實作，但是他們也可能使用單獨的正反器、高速的核心記憶體、薄膜記憶體以及在數種機器上的其他方式來實作出來。 這個名詞通常都用來意指由一個指令之輸出或輸入可以直接索引到的暫存器群組。更適當的是稱他們為「架構暫存器」。例如，x86指令集定義八個32位元暫存器的集合，但一個實作x86指令集的CPU可以包含比八個更多的暫存器。. 指令管線化（Instruction pipeline）是為了讓計算機和其它數位電子裝置能夠加速指令的通過速度（單位時間內被執行的指令數量）而設計的技術。 管線在處理器的內部被組織成層級，各個層級的管線能半獨立地單獨運作。每一個層級都被管理並且鏈接到一條“鏈”，因而每個層級的輸出被送到其它層級直至任務完成。 處理器的這種組織方式能使總體的處理時間顯著縮短。 未管線化的架構產生的效率低，因為有些CPU的模組在其他模組執行時是閒置的。管線化雖並不會完全消除CPU的閒置時間，但是能夠讓這些模組並行運作而大幅提升程式執行的效率。 但並不是所有的指令都是獨立的。在一條簡單的管線中，完成一個指令可能需要5層。如右圖所示，要在最佳性能下運算，當第一個指令被執行時，這個管線需要運行隨後4條獨立的指令。如果隨後4條指令依賴於第一條指令的輸出，管線控制邏輯必須插入延遲時脈周期到管線內，直到依賴被解除。而轉發技術能顯著減少延時。憑藉多個層，雖然管線化在理論上能提高效能，優勝於無管線的內核（假設時脈也因應層的數量按比例增加），但事實上，許多指令碼設計中並不會考慮到理想的執行。.

Atmel AVR

Atmel AVR系列是一种基于改进的哈佛结构、8位元～32位元精简指令集（Reduced Instruction Set Computing，RISC）的微控制器，由Atmel公司于1996年研发。AVR系列是首次采用闪存（Flash Memory）作为数据存储介质的单芯片微控制器之一，同時代的其它微控制器多採用一次寫入可编程ROM、EPROM或是EEPROM。 目前AVR处理器发展了六个系列，分别是：tinyAVR，ATtiny系列；megaAVR，ATmega系列；XMEGA，ATxmega系列；Application-specific AVR，面向特殊应用的AVR系列，增加LCD控制器、USB控制器、PWM等特性；FPSLIC，FPGA上的AVR核；AVR32，32位AVR系列，包含SIMD和DSP以及音视频处理特性，与ARM架構形成竞争。.

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中央处理器

中央处理器 （Central Processing Unit，缩写：CPU），是计算机的主要设备之一，功能主要是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据。计算机的可编程性主要是指对中央处理器的编程。中央处理器、内部存储器和输入／输出设备是现代电脑的三大核心部件。1970年代以前，中央处理器由多个独立单元构成，后来发展出由集成电路制造的中央处理器，這些高度收縮的元件就是所謂的微处理器，其中分出的中央处理器最為复杂的电路可以做成单一微小功能强大的单元。 中央处理器廣義上指一系列可以执行复杂的计算机程序的逻辑机器。这个空泛的定义很容易地将在“CPU”这个名称被普遍使用之前的早期计算机也包括在内。无论如何，至少从1960年代早期开始，这个名称及其缩写已开始在电子计算机产业中得到广泛应用。尽管与早期相比，“中央处理器”在物理形态、设计制造和具体任务的执行上有了极大的发展，但是其基本的操作原理一直没有改变。 早期的中央处理器通常是为大型及特定应用的计算机而定制。但是，这种昂贵的为特定应用定制CPU的方法很大程度上已经让位于开发便宜、标准化、适用于一个或多个目的的处理器类。这个标准化趋势始于由单个晶体管组成的大型机和微机年代，随着集成电路的出现而加速。IC使得更为复杂的中央处理器可以在很小的空间中设计和制造（在微米的數量级）。中央处理器的标准化和小型化都使得这一类数字设备和電子零件在现代生活中的出现频率远远超过有限应用专用的计算机。现代微处理器出现在包括从汽车到手机到儿童玩具在内的各种物品中。.

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CPU缓存

在计算机系统中，CPU高速缓存（CPU Cache，在本文中简称缓存）是用于减少处理器访问内存所需平均时间的部件。在金字塔式存储体系中它位于自顶向下的第二层，仅次于CPU寄存器。其容量远小于内存，但速度却可以接近处理器的频率。 当处理器发出内存访问请求时，会先查看缓存内是否有请求数据。如果存在（命中），则不经访问内存直接返回该数据；如果不存在（失效），则要先把内存中的相应数据载入缓存，再将其返回处理器。 缓存之所以有效，主要是因为程序运行时对内存的访问呈现局部性（Locality）特征。这种局部性既包括空间局部性（Spatial Locality），也包括时间局部性（Temporal Locality）。有效利用这种局部性，缓存可以达到极高的命中率。 在处理器看来，缓存是一个透明部件。因此，程序员通常无法直接干预对缓存的操作。但是，确实可以根据缓存的特点对程序代码实施特定优化，从而更好地利用缓存。.

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触发器

触发器（Flip-flop, FF），中國大陆譯作「--」、臺灣及香港譯作「--」，是一种具有两种稳态的用于储存的元件，可記錄二进制数字信号「1」和「0」。触发器是一种雙穩態多諧振盪器（bistable multivibrator）。该电路可以通过一个或多个施加在控制输入端的信号来改变自身的状态，并会有1个或2个输出。触发器是构成时序逻辑电路以及各种复杂数字系统的基本逻辑单元。触发器和锁存器是在计算机、通讯和许多其他类型的系统中使用的数字电子系统的基本组成部分。 触发器的線路圖由逻辑门組合而成，其結構均由SR锁存器衍生而來（广义的触发器包括锁存器）。触发器可以处理輸入、輸出信號和時脈之间的相互影响。这里的触发器特指flip-flop，flip-flop一词主要是指具有两个状态相互翻转，例如编程语言中使用flip-flop buffer（翻译作双缓冲）。.

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電腦記憶體

電腦記憶體（Computer memory）是一種利用半導體技術制成的儲存資料的電子裝置。其電子電路中的資料以二進位方式儲存，記憶體的每一個儲存單元稱做記憶元。 電腦記憶體可分为内部存储器(简称内存或主存)和外部存储器，其中内存是CPU能直接寻址的存储空间，由半导体器件制成。内存的特点是存取速率快。内存是电脑中的主要部件，它是相对于外存而言的。我们平常使用的程序，如Windows操作系统、打字软件、游戏软件等，一般都是安装在硬盘等外存上的，但仅此是不能使用其功能的，必须把它们调入内存中运行，才能真正使用其功能，我们平时输入一段文字，或玩一个游戏，其实都是在内存中进行的。就好比在一个书房里，存放书籍的书架和书柜相当于电脑的外存，而我们工作的办公桌就是内存。通常我们把要永久保存的、大量的数据存储在外存上，而把一些临时的或少量的数据和程序放在内存上，当然内存的好坏会直接影响电脑的运行速度。.

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PIC微控制器

PIC微控制器（PIC microcontroller），是一種使用哈佛結構的精簡指令集微控制器，由Microchip公司研發而成。 PIC的架構是明顯的最低限度。它具有以下特點：.

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SPARC

SPARC，名稱源自於可擴充處理器架構（Scalable Processor ARChitecture）的縮寫，是一種RISC指令集架構，最早於1985年由昇陽電腦所設計，也是SPARC國際公司的注冊商標之一。這家公司於1989年成立，其目的是向外界推廣SPARC，以及為該架構進行符合性測試。此外該公司為了擴闊SPARC設計的生態系統，SPARC國際也把標準開放，並授權予多間生產商採用，包括德州儀器、Cypress半導體、富士通等。由於SPARC架構也對外完全開放，因此也出現了完全開放原始碼的LEON處理器，這款處理器以VHDL語言寫成，並採用LGPL授權。 SPARC架構原設計給工作站使用，及後應用在昇陽、富士通等製造的大型SMP伺服器上。而昇陽開發的Solaris作業系統也是為SPARC設計的系統之一，除Solaris外，NeXTSTEP、Linux、FreeBSD、OpenBSD及NetBSD系統也提供SPARC版本。 現時最新版本的SPARC為第8及第9版，在2005年12月，昇陽方面宣佈其UltraSPARC T1處理器將採用開放原始碼方式。2007年，昇陽電腦宣佈UltraSPARC T2處理器已經加入OpenSPARC開放原始碼計劃。.

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指令

在计算机技术中，“指令”是由指令集架构定义的单个的CPU操作。在更广泛的意义上，“指令”可以是任何可执行程序的元素的表述，例如字节码。 在传统的构架上，指令包括一个操作码（opcode）——它指定了要进行什么样的操作，例如“将存储器中的内容与寄存器中的内容相加”——和零个或者更多的操作数（operand）——它可能指定了参与操作的寄存器、内存地址或者立即数（literal data）。操作数可能还包括寻址方式，它确定了操作数的含义。原文：The operand specifiers may have addressing modes determining their meaning or may be in fixed fields.——译者 在超長指令字（VLIW）构架中（包括很多微指令（microcode）构架）多个并发的操作和操作数在一条单独的指令中被指定。 指令的长度相差悬殊，从一些微控制器（microcontroller）中的4位（bit）到一些超长指令字系统中的几百位。大部分现代的个人计算机、大型计算机、超大型计算机中的处理器的指令尺寸在16到64位之间。在一些构架中，特别是RISC构架中，指令长度是固定的，通常与其构架的字长一致。在其他的构架中，指令有不同的长度，但通常是字节或者半个字的整数倍。 构成程序的指令很少以它在机器内部的数值形式而直接的被使用；它们可以被程序员通过汇编语言加以表示，或者，更常见的，被编译器生成。.

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