计算机体系结构学科发展简介

计算机体系结构学科发展简介内容摘要：

CPU速度越慢 CPU性能公式  CPU time = IC CPI CC  CPU time —— 执行一段代码所需的中央处理器（ CPU） 时间  IC—— 代码的指令条数 （ Instruction Count） ，与指令集设计编译器的优化有关  CPI—— 平均执行每条指令的时钟周期数 ， 与指令集设计 、 体系结构等技术有关  CC—— 时钟周期（ Clock Cycle）与计算机组成，IC工艺等技术有关 缩短 CPI成为缩短 CPUtime 的主要技术途径 RISC体系结构 追求精减的指令集 数据类型 、 寻址方式精减 ， 指令长度统一 ，格式统一 ， 提高流水线的效率 ， 实现了每一时钟周期能执行一条指令 （ CPI=1） RISC体系结构 进一步提出指令多发射技术 即每一时钟周期可发射多条指令 ， 执行多条指令 ， 进一步实现 CPI1 CISC计算机速度提高较慢的原因  传统 CISC体系结构计算机的 CPI≌ 58  原因：  以 DEC公司的 VAX机器为例 ， 指令系统复杂 ， 指令集有 304条指令 ， 指令长度： 1 Byte～ 64 Byte， 操作数可达： 06个 ， 数据类型达十几种 ， 寻址方式达几十种；采用微程序控制。 —— 导致流水线结构复杂 ， 效率低下 ， 速度提高有困难  目前几乎所有微处理器，包括传统著名的 CISC微处理器，如 Intel系列和 Motorola系列微处理器都采用 RISC体系结构 2．流水线技术  这是理想流水线的性能：达到每一个时钟周期可以完成一条指令  与指令串行执行相比较，速度提高 5倍  简介：流水线是一种多条指令重叠执行的实现技术 流水时钟数指令序列1 2 3 4 5 6 7 8 9指令 i IF ID EX M E M WB指令 i + 1 IF ID EX M E M WB指令 i + 2 IF ID EX M E M WB指令 i + 3 IF ID EX M E M WB指令 i + 4 IF ID EX M E M WB流水线的竞争 实际流水线不可能像上述理想流水线那样完美 存在三种流水线竞争  结构竞争 ：由硬件资源不足造成流水线停顿  数据竞争 ：由前后指令之间存在数据相关性造成流水线停顿  控制竞争 ：由转移指令造成流水线停顿 实际流水线的性能 实际流水线的 CPI=理想流水线的 CPI + 结构竞争造成的停顿周期 + 数据竞争造成的停顿周期 + 控制竞争造成的停顿周期 要提高 CPU的性能就是要消除或减少三种竞争造成的停顿周期 流水线竞争的解决 结构竞争可以通过增加硬件资源来解决 数据竞争和控制竞争只有通过挖掘代码指令之间的平行性，即通过开发和发现指令之间存在的可并行（重叠）执行的可能性，然后对指令执行顺序进行调度，即用不相关的指令来填补本来应该停顿周期的方法，达到消除或减少停顿周期，提高指令执行速度 3．指令级并行性 (ILP)开发技术 ILP开发技术分两大类： 基于硬件的 ILP开发技术，又称动态开发 ILP技术 基于软件的 ILP开发技术，又称静态开发 ILP技术 用于解决数据竞争的 ILP开发技术 静态调度技术 动态调度技术 采用改名技术的动态调度技术 编译分析数据相关性 软件流水线 路经调度 用于解决控制相关性的 ILP开发技术 静态转移预测技术 动态转移预测技术 静态投机技术 动态投机技术 循环体展开技术 延时转移技术 三、指令多发射技术 1． 指令多发射技术概述 从 CPUtime = IC CPI CC公式出发，进一步提高 CPU性能的途径是令 CPI1 要达到 CPI1的目的，必须做到每个时钟周期发射多条指令，有多个处理部件和足够的硬。