处理机知识学习

1、2021/3/271第二章第二章 处理机处理机2021/3/272本课程中本课程中n在并行处理系统结构中在并行处理系统结构中,我们把处理我们把处理机看成是系统的一个功能模块。机看成是系统的一个功能模块。n处理机和处理器的界限越来越模糊。处理机和处理器的界限越来越模糊。2021/3/2732.1 概述概述n处理机跟随着器件的发展而发展。处理机跟随着器件的发展而发展。n处理机结构的发展处理机结构的发展: 第一代第一代:单处理机单处理机 第二代第二代:多功能处理单元多功能处理单元 第三代第三代:微处理机和微计算机、微处理机和微计算机、MIMD 和和SIMD、向量处理机等结构、向量处理机等结构 第四代

2、第四代:工作站、局域网、扩展的工作站、局域网、扩展的SIMD 系统、面向对象的系统结构系统、面向对象的系统结构2021/3/274器件和系统结构的发展对处理器件和系统结构的发展对处理机性能的提高体现在机性能的提高体现在:n处理速度提高了四个量级以上处理速度提高了四个量级以上;n外观上体积明显减小外观上体积明显减小;n处理机结构中采用的新技术处理机结构中采用的新技术 数据路径得到扩展、寄存器组的数量增数据路径得到扩展、寄存器组的数量增加、先行控制技术、多个运算单元并存、加、先行控制技术、多个运算单元并存、高缓技术的应用等高缓技术的应用等2021/3/275性能衡量性能衡量nMIPS: milli

3、on instructions per second 每秒百万条指令数（基于指令）每秒百万条指令数（基于指令）nMFlops: million floating point operation per second 每秒百万次浮点操作次数（基于操作）每秒百万次浮点操作次数（基于操作）n基准测试程序基准测试程序2021/3/276体积对比体积对比2021/3/277n超级计算机天河一号超级计算机天河一号,每秒钟每秒钟1206万亿次的峰值速度万亿次的峰值速度 n采用了采用了“多阵列可配置协同并行体系结构多阵列可配置协同并行体系结构”等等7项关键创项关键创新技术新技术 2021/3/278处理机四个

4、主要功能处理机四个主要功能n指令控制指令控制n操作控制操作控制n时间控制时间控制n数据处理数据处理2021/3/2792.2 应用对选择处理机的影响应用对选择处理机的影响n通用机通用机:具有多方面的处理能力具有多方面的处理能力,但没有特但没有特别突出之处。别突出之处。n专用机专用机:对某一类应用问题具有非常强的对某一类应用问题具有非常强的解题能力解题能力,但其他方面功能较差。但其他方面功能较差。2021/3/27102.3 微程序技术微程序技术1. 处理机的控制方式处理机的控制方式n三代以前三代以前,硬件控制方式硬件控制方式n三代开始三代开始,出现了微程序控制方式出现了微程序控制方式,它是它是

5、对体系结构影响较大的一种中央控制技对体系结构影响较大的一种中央控制技术术2021/3/2711计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构硬件电路2021/3/2712硬联控制技术硬联控制技术n早期早期,机器指令是在硬联控制网络的控制机器指令是在硬联控制网络的控制下由硬件组合逻辑完成。下由硬件组合逻辑完成。n控制电路控制电路复杂复杂, ,不规整不规整, ,而且一旦设计完而且一旦设计完成成, ,只能针对一种机器语言只能针对一种机器语言, ,不能加以改不能加以改变。变。n不利于电路的集成、设计、生产不利于电路的集成、设计、生产, ,使用也使用也不灵活。不灵活。n运行速度快。运行速度快。 2021/3/

6、2713硬件电路2021/3/2714微程序技术微程序技术n把存储器引入微程序控制器中。把存储器引入微程序控制器中。n只要在控制存储器中配以不同的微程序只要在控制存储器中配以不同的微程序内容内容, ,就可以仿真不同的机器指令就可以仿真不同的机器指令, ,提高提高了存储器芯片的通用性。了存储器芯片的通用性。 n校验、维护、调试及修改比较方便校验、维护、调试及修改比较方便, ,大大大大提高了系统设计制作的灵活性。提高了系统设计制作的灵活性。n其访存时间较长其访存时间较长, ,导致其速度与硬联控制导致其速度与硬联控制网络相比要有所降低。网络相比要有所降低。 2021/3/27152. 一些基本概念一

7、些基本概念微命令和微操作微命令和微操作n控制部件通过控制线向执行部件发送各种控制控制部件通过控制线向执行部件发送各种控制命令命令, ,我们把这种控制命令称之为微命令。我们把这种控制命令称之为微命令。 n执行部件受到微命令的控制执行部件受到微命令的控制, ,所完成的一系列所完成的一系列相应的操作相应的操作, ,称之为微操作。称之为微操作。 2021/3/2716微操作可分为相容性的与相斥性的微操作可分为相容性的与相斥性的 n相容性的微操作相容性的微操作: :是指同时或在同一是指同时或在同一CPUCPU周期内能够并行执行的微操作。周期内能够并行执行的微操作。n相斥性的微操作相斥性的微操作: :是指

8、不能同时或在同一是指不能同时或在同一CPUCPU周期内并行执行的微操作。周期内并行执行的微操作。 2021/3/2717微指令与微程序微指令与微程序 n一条微命令控制一个微操作一条微命令控制一个微操作, ,那么若干条那么若干条微命令集合在一起完成一特定的功能操微命令集合在一起完成一特定的功能操作。我们把这一组实现一定功能操作的作。我们把这一组实现一定功能操作的微命令集合称为一条微指令。微命令集合称为一条微指令。n传统机的一条机器指令是由一串微指令传统机的一条机器指令是由一串微指令序列构成的序列构成的, ,我们称之为微程序。我们称之为微程序。 2021/3/2718微指令的具体结构微指令的具体结

9、构 LDR1 LDR3 LDR2R1XR2X R2Y R3YR1YDRX + _ M RD LDDR LDIR LDAR PC+1 P1 P2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 操作控制 顺序控制直接地址LDR1: ALU R1LDR2: ALU R2LDR3: ALU R3LDDR:内存单元 缓冲寄存器DRLDIR:缓冲寄存器DR 指令寄存器IRLDAR:程序计数器PC 地址寄存器ARPC+1:程序计数器加 1RD:读2021/3/2719串行微程序控制和并行微程序控制串行微程序控制和并行微程序控制 n串行

10、微程序控制是指在微程序运行过程中串行微程序控制是指在微程序运行过程中, ,取取一条微指令一条微指令, ,执行完毕后执行完毕后, ,再取下一条微指令再再取下一条微指令再执行执行, ,即在整个微程序中的微指令是一条一条即在整个微程序中的微指令是一条一条顺序取指、执行的。顺序取指、执行的。n并行微程序控制并行微程序控制, ,即在同一时刻对即在同一时刻对多多条微指令条微指令进行操作。进行操作。 2021/3/2720机器指令与微指令机器指令与微指令的关系的关系 程序计数器 地址寄存器 主存储器 缓冲寄存器 指令寄存器 微地址寄存器 控制存储器 微命令寄存器. . . + 1 微命令 图 2-5 机器指

11、令与微指令的关系2021/3/27213.微程序控制器的设计微程序控制器的设计 微命令寄存器 机器指令寄存器 P 字段 命令字段状态条件 地 址 形 成 网 络微地址寄存器 控制 存储器控制信号 . . . . . 图 2-6 微程序控制器原理框图2021/3/27222.4 指令与寻址指令与寻址衡量一个指令系统的性能应包括衡量一个指令系统的性能应包括: :n完备性完备性: :能编写任何功能的程序能编写任何功能的程序, ,指令丰富指令丰富, ,功功能齐全能齐全, ,使用方便。使用方便。n有效性有效性: :编写的程序能够高效率地运行。编写的程序能够高效率地运行。n规整性规整性: :指令系统能支持

12、多种数据表示方式、指令系统能支持多种数据表示方式、寻址方式及存储方式。寻址方式及存储方式。n兼容性兼容性: :基本软件可以互相兼容或基本软件可以互相兼容或“向上兼容向上兼容”的的, ,即低档机上的软件可以在高档机上运行。即低档机上的软件可以在高档机上运行。 2021/3/2723按指令系统来划分按指令系统来划分n复杂指令集计算机复杂指令集计算机(CISC):(CISC):Complex Complex Instruction Set ComputerInstruction Set Computer n精简指令集计算机精简指令集计算机(RISC)(RISC): :Reduced Reduced

13、Instruction Set ComputerInstruction Set Computer 2021/3/2724CISCCISC特点特点n拥有大量的机器语言指令拥有大量的机器语言指令, ,指令格式、寻指令格式、寻址方式和指令字长也有多种形式。址方式和指令字长也有多种形式。n由于由于CPUCPU要支持如此庞大的指令系统要支持如此庞大的指令系统, ,因因而而CPUCPU中的控制部件非常复杂。中的控制部件非常复杂。n大多数计算机系统仍然是大多数计算机系统仍然是CISCCISC结构的结构的, ,典典型的机型有型的机型有IBM370IBM370、VAX-11/780VAX-11/780及及MC6

14、8020MC68020等。等。 2021/3/2725CISC存在的问题存在的问题n指令系统过于庞大。一般指令条数都在指令系统过于庞大。一般指令条数都在200200条以上条以上 ,控制指令译码、分析和执行控制指令译码、分析和执行的硬件电路非常复杂的硬件电路非常复杂 。n寻址方式复杂寻址方式复杂, ,使得使得CPUCPU计算有效地址时计算有效地址时间较长。间较长。n难以实现高级语言的最优化编译。难以实现高级语言的最优化编译。 n只有只有2020的指令在的指令在8080的时间里运行的时间里运行, ,而而8080的指令使用的时间仅占的指令使用的时间仅占2020。 2021/3/2726RISC的发展

15、的发展n1975年年,IBM公司设计电话交换系统的控公司设计电话交换系统的控制器制器,简化结构简化结构,提高速度提高速度n1979年年,32位位IBM801,120条指条指令令,10MIPSn80年代初年代初,32位的位的RISC处理器处理器RISC I和和RISC IIn90年代之后年代之后,多样化的多样化的RISC局面局面2021/3/2727RISC特征（特征（1）n指令系统选用那些使用频度高的简单指指令系统选用那些使用频度高的简单指令和一些实用的但不十分复杂的指令令和一些实用的但不十分复杂的指令,一一般指令不超过般指令不超过100条。条。n指令字长固定指令字长固定,寻址方式一般不超过四

16、种寻址方式一般不超过四种,指令格式也不超过四种。指令格式也不超过四种。n所有指令所有指令(几乎所有指令几乎所有指令)均在单指令周均在单指令周期完成。期完成。2021/3/2728RISC特征（特征（2）n指令系统中只允许存指令系统中只允许存(STORE)和取和取(LOAD)指令访问主存指令访问主存,其它指令均在寄存其它指令均在寄存器之间进行。器之间进行。nCPU中设置大量的寄存器中设置大量的寄存器,称作寄存器堆。称作寄存器堆。n指令的运行采用高效的流水线方式。指令的运行采用高效的流水线方式。n以硬布线控制逻辑为主以硬布线控制逻辑为主,不用或少用微码。不用或少用微码。n优化的编译程序优化的编译程

17、序, ,简单有效地支持高级语简单有效地支持高级语言。言。2021/3/2729RISC的构成技术的构成技术n重叠寄存器窗口技术重叠寄存器窗口技术n指令执行的流水线及延迟转移技术指令执行的流水线及延迟转移技术nRISC的存储体系的存储体系n硬布线控制逻辑硬布线控制逻辑2021/3/2730重叠寄存器重叠寄存器窗口技术窗口技术 A 高区 132 131 137 . . . . . . A 本区 122 121 . . . . . . . . . . . . A 低区 B 高区 116 115 B 本区 . . . . . . 106 105 B 低区 C 高区 . . . . . . 100 99 C 本区 . . . . . . 90 89 C 低区 D 高区 . . . . . . 84 83 . . . . . . 10 9 . . . 全局性变量 0 CPU 的工作 寄存器组 R31 A R26 A R25