CPUマイクロアーキテクチャ設計を理解することは、さまざまな計算を分析し、業界標準に準拠することを可能にします。このガイドでは、これらのコンセプトを明確にし、効率的なプロセッサの設計を支援するための例を提供します。

CPUマイクロアーキテクチャにおける基本概念

CPUマイクロアーキテクチャとは、プロセッサのコンポーネントの構成と、指示を実行する方法を指します。キー要素には、指示パイプライン、キャッシュ階層、および実行単位が含まれます。

マイクロアーキテクチャ設計の計算

CPU の設計は、クロック速度、指示スループット、および消費電力に関する計算を必要とします。例えば、クロックサイクル時間を決定するには、パイプラインステージの中で最も長い遅延を考慮する。

ステージ遅延は、フェッチ(2ns)、デコード(1.5ns)、実行(3ns)、メモリアクセス(2.5ns)、書き込みバック(1ns)の通りです。 サイクルタイムは、最遅くのステージに対応するために少なくとも3nsでなければなりません。

設計の標準的な承諾

プロセッサは、フローティングポイント算術およびx86またはARMアーキテクチャの指示セット用のIEEE 754などの標準に準拠しなければなりません。 コンプライアンスは、システム全体で互換性と信頼性を保証します。

例えば、浮動小数点ユニットの設計時に、丸みモードや例外処理を含むIEEE 754の動作を正しく実装しているか確認します。

例:キャッシュサイズの計算

プロセッサーには、L1 (32 KB)、L2 (256 KB)、L3 (8 MB)、メインメモリ(16 GB)の4つのレベルのキャッシュがあります。 パフォーマンスを最適化するには、アクセスレイテンシとヒット率に基づいてキャッシュサイズのバランスを取る必要があります。

総キャッシュ容量を計算すると、メインメモリアクセス前に、このケースでは合計8.256 MBのキャッシュ階層の全てのレベルのサイズをまとめることが伴います。