首先我们需要清楚地知道，和Nehalem一样，Godson2是一款OOOE（Out of Order Execute）乱序执行的Superscaler超标量处理器，不同的是Nehalem是CISC架构而Godson2是RISC架构。一般而言，由于RISC架构指令集比较简单，因此设计比较简洁，可以达到相对较高的频率（如，IBM的PowerPC 6+可以达到5GHz以上的频率），Godson2的流水线深度为9级，比一般的RISC处理器略高，它们依次是：fetch拾取、pre-decode预解码、decode解码、register rename寄存器重命名、dispatch分发、issue发射、register read读寄存器、execution执行、commit提交。大致上，它们可以分为取指（Instruction Fetch)、解码（Decode）、执行（Execute）、串行顺序回退（Retire）这四个阶段。

注：通过类RISC架构和深流水线，CISC处理器也可以达到很高的频率，如Pentium 4。为什么深长的流水线可以达到更高的频率呢？如果流水线短的话，电信号在单位时间内需要传输经过的元部件相对要更多、更远，所要求的元件延迟要更低、频率更高。深长流水线则反之。代价就是晶体管数量的增多，导致功耗增加，并且流水线堵塞的话，清空流水线带来的代价较大。

Nehalem Microarchitecture，经笔者整理

可以发现，它们是有不少相似之处的。龙芯2借鉴、集成了大多数现代处理器的典性架构设计。需要特别说明的一点是，龙芯2是Big-Endian架构，所有的 x86处理器都是Little-Endian架构。Big-Endian和Little-Eendian这两个术语来自Jonathan Swift在十八世纪的嘲讽作品《Gulliver's Travels》（《格列佛游记》），书中Blefuscu帝国的国民被根据吃鸡蛋的方式划分为两个部分：一部分在吃鸡蛋的时候从鸡蛋的大端（big end）开始，而另一部分则从鸡蛋的小端（little end）开始，并因意见不同而引发了六次内战。我们一般将endian翻译成"字节序"，将big-endian和little-endian称作"大尾 "和"小尾"。

大尾和小尾有什么用呢？在设计计算机系统的时候，有两种处理内存中数据的方法。叫作little-endian小尾段的方法中存放在内存中最低位的数值是来自数据的最右边部分（也就是数据的最低位部分），大尾段则相反。x86的CPU使用的LE被Windows中称为"主机字节序"。网络传输使用BE，因此BE也常被成为"网络字节序"。MIPS兼容架构具备BE和LE的切换指令。

Fetch &Prefetch

拾取与预解码

处理器在执行指令之前，必须先装载指令，这就是Fetch阶段，通常是流水线的第1级。指令会先保存在L1缓存的I-cache（Instruction- cache）指令缓存当中，Godson2的L1 I-cache容量为64KB（D-cache同样为64KB），比Nehalem大一倍。和Nehalem一样，Godson的指令拾取单元使用 128bit带宽的通道从I-cache中读取指令--一次可以读取4条指令（也和Nehalem一样）。Godson2的I-cache采用和 Nehalem的I-cache一样都采用了4路集合关联（不同的是Nehalem的D-cache是8路集合，Godson2 D-cache仍然为4路），我们知道Nehalem这种比Core更少的集合关联数量是为了降低延迟。

Godson-2 Microarchitecture

通过PC（Program Counter，程序指针）拾取到指令之后，指令被发往Instruction Register指令寄存器，并进入下一个阶段：pre-decode，这个阶段的存在是为了实现分支预测功能，分支预测是为了充分发挥乱序执行效能而出现的功能，通过预测如if then这样的语句的将来走向，提前读取相关的指令并执行的技术，可以明显地提升性能。

龙芯2具有16个条目的BTB（Branch Target Buffer，分支目标缓冲区）和4K条目的BHT（Branch History Table，分支历史表），BTB用来保存预测指令的地址，BHT则统计历史分支。Nehalem具有两层BTB结构，不过细节不详。BHT包括了一个9 位的GHR（Global History Register，全局历史寄存器）和实际保存4K条目内容的PHT（Pattern History Table，原历史表）。

Nehalem RSB：重命名的返回堆栈缓冲器

在 Nehalem上，与BTB相对的是RSB（Return Stack Buffer，返回堆栈缓冲区），而MIPS指令集并没有Call和Return指令，分支由通常的Branch/Jump/Link以及jump register 31指令来实现，然而龙芯2上通过特别的方法也实现了和RSB对应的RAS（Return Address Stack，返回地址堆栈），它在预解码到Branch/Link就将PC+8压入RAS，预解码到jump register 31指令就将RAS弹出到PC，从而实现了类似的功能。RAS容量为4个条目，不算多。

Nehalem: Fetch

指令拾取单元使用预测指令的地址来拾取指令，它通过访问L1 ITLB里的索引来继续访问L1I Cache，龙芯2具有16条目的ITLB，Nehalem具有两层TLB：L1具有128条目的小页面ITLB（按照两个线程静态分区）和7条目的全关联（Full Associativity）大页面ITLB，这些TLB用于访问2M/4M的大容量页面；L2 TLB则和L2缓存一样，指令/数据共用。

预解码结束之后将会被送往下一个流水线阶段：解码。