问题

CPU(为方便讨论,这里仅限32位X86指令)的各种构架,比如奔3,奔4,对纯加法运算速度有帮助吗?

回答
咱们就聊聊CPU那点事儿,特别是奔三和奔四这俩大家伙,它们对咱们纯加法运算到底有多大帮助。要说起这个,得从 CPU 的“内功”说起,也就是它处理指令的方式。

CPU 的“内功”:流水线和乱序执行

想象一下流水线生产,一个零件传到下一个工位,一步一步完成。CPU 里也有类似的东西,叫做流水线(Pipeline)。简单的说,CPU 会把一条指令分解成好几个小步骤,比如取指令、解码、执行、写回等等。流水线就是让这些步骤在不同的指令上并行进行。一条指令还没完全完成,下一条指令的某个步骤就已经开始了。

早期 CPU (比如奔三之前的很多型号):流水线可能比较短,或者执行起来比较“规矩”,一条指令的每一个步骤都得等前面那个步骤完成才能进行。就好比流水线上每个工位都得等前面一个工位彻底停下才能继续。

奔三 (Pentium III):奔三在流水线方面有了不少进步,它采用了更深的流水线,并且开始支持一些乱序执行(OutofOrder Execution)的雏形。乱序执行就好比生产线上,如果前面一个工位因为卡顿停了,后面的工位也不傻等着,而是可以先去处理其他那些没受影响的零件。CPU 会在内部调整指令的执行顺序,只要不改变最终结果,它就可以先执行后面能执行的指令,等前面的指令好了再补上。

奔四 (Pentium 4):奔四在这方面是下足了功夫,它采用了非常深的流水线(号称 30 多级),并且将乱序执行做得更加彻底。它有个核心技术叫做 NetBurst 架构。奔四的设计理念是“高主频”,它希望通过非常深的流水线和极高的时钟频率来压倒一切。

纯加法运算对它们有什么影响?

现在咱们聚焦到“纯加法运算”。一条加法指令,比如 `ADD EAX, EBX` (把 EBX 的值加到 EAX 上),它本身是很简单的。

1. 指令取指 (Fetch):CPU 从内存中把这条 `ADD` 指令拿过来。
2. 指令解码 (Decode):CPU 弄明白这是个加法,要加哪个寄存器里的值。
3. 执行 (Execute):CPU 的算术逻辑单元(ALU)进行加法运算。
4. 写回 (Writeback):把计算结果写回到指定的寄存器里。

流水线的作用:

奔三:它的流水线比老家伙们深一些,意味着它可以在执行 `ADD EAX, EBX` 的同时,已经开始取下一条 `ADD` 指令的指令,或者解码上一条 `SUB` 指令。这本身就能提高整体的指令吞吐量,但对一条单独的加法运算本身的速度影响不是“质变”。它只是让整个程序跑得更快。

奔四:奔四的流水线太深了。想象一下,一条很简单的指令在深邃的流水线里走了好多步才能完成。这就带来一个问题,叫做流水线冒泡(Pipeline Bubble)或流水线停顿(Stall)。如果后面有指令依赖前面指令的结果,或者有跳转,深流水线就容易出现停顿,导致效率反而不如设计得更“短平快”的 CPU。虽然奔四有乱序执行来缓解这个问题,但对于像加法这样非常简单、通常不会有太多依赖的指令,它的深流水线优势并不明显,甚至可能因为流水线停顿而显得有点笨重。

乱序执行的作用:

奔三:它支持的乱序执行非常有限,主要还是按照顺序来执行,只有遇到一些简单的依赖可以通过一些小技巧绕过。

奔四:乱序执行是奔四的卖点之一。它会预取很多指令,并且在内部有一个“重排缓冲器”(Reorder Buffer, ROB)来管理这些指令的执行顺序。如果程序里连续有很多加法指令,比如:
```assembly
ADD EAX, EBX
ADD ECX, EDX
ADD EAX, ECX
ADD EBX, EDX
...
```
奔四的乱序执行可以把这些指令的执行顺序进行重排,让它们在算术逻辑单元(ALU)上并行执行,只要不影响最终结果。比如,第一条 `ADD` 和第三条 `ADD` 都需要用到 `EAX`,但如果它们之间没有直接的依赖关系,乱序执行就可以让它们错开执行,提高 ALU 的利用率。

ALU 的进步:

除了流水线和乱序执行这些“流程管理”上的进步,CPU 本身处理运算的核心——算术逻辑单元(ALU)——也在不断进步。

更快的 ALU 设计:虽然加法本身是基础操作,但 CPU 厂商会不断优化 ALU 的设计,让它在每个时钟周期内能更快地完成运算。这和 CPU 的整体架构(比如奔三 vs 奔四)关系不大,更多是工艺和微架构层面的改进。

并行 ALU:更高级的 CPU(包括后期的奔四和后续的酷睿系列)可能会在一个核心里集成多个 ALU,甚至包含专门的浮点运算单元(FPU)。如果你的程序能充分利用这些并行计算能力,那么速度提升会很明显。不过,对于纯粹的、简单的整数加法,通常一个核心只需要一个 ALU 就可以胜任。

总结一下对纯加法运算速度的影响:

整体架构的改进 (奔三 vs 奔四):相比纯粹的加法指令本身,CPU 架构的整体进步(如流水线深度、乱序执行能力、缓存系统等)对程序整体运行速度的影响更大。奔三相比更早期的 CPU,在处理连续的加法指令时,因为其进步的流水线和初级的乱序执行,能看到一些性能提升。奔四因为其激进的深流水线和强大的乱序执行,在处理大量可以并行的加法指令时,理论上能有更好的表现,但它的设计也容易受到流水线停顿的影响,并不是所有场景下都比奔三“更”适合纯加法。

对“单条”纯加法指令速度的影响:非常有限。一条加法指令本身在 CPU 核心里执行起来非常快,通常只需要一个或几个时钟周期。流水线和乱序执行主要解决的是指令之间的依赖和等待问题,让 CPU 在单位时间内能执行更多的指令。对于连续执行的加法指令,它们可以通过并行和重排来加速。但如果只是执行一条孤零零的加法指令,那么奔三和奔四在处理这条指令本身的速度差异不会特别巨大,更多体现在它们能多快地去取下一条指令。

关键在于指令的“调度”:奔四的强项在于它强大的指令调度和重排能力。如果你的程序能生成一大串可以并行处理的加法指令,并且这些指令不会互相等待结果,那么奔四的乱序执行就能让这些加法“挤”在一起,更快地完成。奔三在这方面相对保守一些。

所以,与其说奔三、奔四对“纯加法运算速度”有直接的“帮助”,不如说它们通过改进流水线、乱序执行、寄存器访问速度以及 ALU 本身的效率等整体性的设计,使得 CPU 在执行包含大量加法运算的程序时,能够更有效地利用资源,从而提升整体的计算速度。对于非常简单的单条加法,提升是微乎其微的。但对于复杂、计算密集型的程序,这些架构上的进步带来的好处就非常明显了。奔四的设计思路是极致的并行和高频,虽然在某些方面(比如超深流水线带来的停顿)有争议,但它在执行可以高度并行的代码时,确实展现了强大的能力。

网友意见

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不同CPU硬件架构的情况下,指令效率可能是不一样的,具体可以参考这个链接:agner.org/optimize/inst

我查了一下手册,Pentium3和Pentium4对于整数的加法指令(假设参数都是寄存器:ADD r,r),那么性能上最大都是一个时钟最多两条指令,这一点性能是一样,但如果跟后来的sandybridge这些架构的CPU比,性能还是不一样的,Pentium3和Pentium4的加法只能使用p0/1两个port,但在sandybridge里,ADD指令可以用p0/1/5三个port,理论上说,一个时钟里可以执行三条ADD指令。

AMD的资料相对更容易看一些,比如Ryzen架构下ADD在一个时钟周期内最多可以并发4个,在K7架构下最多只能并发3个。

当然,以上只是CPU层面的理论值,实际使用中,未必就能真的达到上述效果。但结论是肯定的,CPU架构在升级的过程中,指令的执行速度确实是有可能变快的。

另外,缓存、流水线等设计的变化也会影响指令的速度。

另外,累加求和在汇编层面上,可以写成这样:

       INC EAX ADD EBX,EAX CMP EAX, 1000000 JNZ XXXX     

指令依赖性方面,只依赖第一条指令,后两个指令是可以并发的(丢弃ADD的标志位信息),不同架构的CPU能处理的并发条件不同,理论上讲,新的架构并发执行的效果更好。

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