高級計算機系統(tǒng)結構綜述

王子淳

摘 要：計算機體系結構是一門連接硬件與軟件的學科，在不斷的深入研究過程中，一直在追求計算機的功能、性能、功率以及花費的高度協(xié)調，以期達到各方面的最佳狀態(tài)，在花費、能量、可用性的抑制下，實現計算機的多功能、高性能、低功率、少花費的新時代。本篇綜述主要講述流水線技術，指令系統(tǒng)，以及計算機系統(tǒng)結構的發(fā)展趨勢。

關鍵詞：高級計算機系統(tǒng)結構，流水線技術，指令系統(tǒng)

1流水線技術

1.1 流水線的基本概念

計算機系統(tǒng)結構的國際權威美國Stanford大學的John L.Hennessy和UC Berkely大學的 David A.Paterson在其名著《Computer Architecture-- A quantitative approach》一書中特別指出：“流水線過去是，而且將來也很有可能還是提高計算機性能的最有效技術之一”[1]

流水線技術（Pipeline technology）是將一個重復的時序過程分解成為若干個子過程，而每一個子過程都可有效地在其專用功能段上與其他子過程同時執(zhí)行。流水線中的每個子過程及其功能部件稱為流水線的級或段（pipeline stage），流水線的段數稱為流水線的深度（pipeline depth），段與段相互連接形成流水線。

1.2 流水線的分類

從不同的角度和觀點，可以把流水線分成多種不同的種類：

1.單功能流水線（single-function pipeline）：只能完成一種固定功能的流水線

2.多功能流水線（multi-function pipeline ）：流水線的各段可以進行不同的連接，從而使流水線在不同的時間，或者在同一時間完成不同的功能。

3.靜態(tài)流水線（static pipeline）：在同一時間內，流水線的各段只能按同一種功能的連接方式工作。

4.動態(tài)流水線（dynamic pipeline）：在同一時間內，當某些段正在實現某種運算時，另一些段卻在實現另一種運算。

5.部件級流水線（component level pipeline）：把處理機的算術邏輯部件分段，以便為各種數據類型進行流水操作。

6.處理機級流水線（processor level pipeline）：把解釋指令的過程按照流水方式處理。

7.處宏流水線（macro pipeline）：由兩個以上的處理機串行地對同一數據流進行處理，每個處理機完成一項任務。

8.標量流水處理機（Scalar pipeline processor）：處理機不具有向量數據表示，僅對標量數據進行流水處理。

9.向量流水處理機（vector pipeline processor）：處理機具有向量數據表示，并通過向量指令對向量的各元素進行處理。

10.線性流水線（linear pipeline）：流水線的各段串行連接，沒有反饋回路。

11.非線性流水線（non-linear pipeline）：流水線中除有串行連接的通路

外，還有反饋回路。

12.順序流水線（order pipeline）：流水線輸出端任務流出的順序與輸入端任務流入的順序完全相同。每一個任務在流水線的各段中是一個跟著一個順序流動的。

13.亂序流水線（out-order pipeline）：流水線輸出端任務流出的順序與輸入端任務流入的順序可以不同，允許后進入流水線的任務先完成（從輸出端流出）。

1.3流水線的相關與沖突

相關（correlation）是指兩條指令之間存在某種依賴關系。如果兩條指令相關，則他們就有可能不能在流水線中重疊執(zhí)行或者只能部分重疊執(zhí)行，

1. 結構相關（structure correlation）：當指令在重疊執(zhí)行過程中，硬件資源滿足不了指令重疊執(zhí)行的要求，發(fā)生資源沖突時將產生“結構相關”；

2. 數據相關（data correlation）：當一條指令需要用到前面指令的執(zhí)行結果，而這些指令均在流水線中重疊執(zhí)行時，就可能引起“數據相關”；

3. 控制相關（control correlation）：當流水線遇到分支指令或其他會改變PC值的指令時就會發(fā)生“控制相關”。

流水線沖突（pipeline conflict）是指對于具體的流水線來說，由于相關的存在，使得指令流中的下一條指令不能在指定的時鐘周期執(zhí)行。流水線沖突有三種類型：

1.結構沖突（structure conflict）：因硬件資源滿足不了指令重疊執(zhí)行的要求而發(fā)生的沖突。解決方法：流水化功能單元；資源重復；暫停流水線。

2.數據沖突（data conflict）：當指令在流水線中重疊執(zhí)行時，因需要用到前面指令的執(zhí)行結果而發(fā)生的沖突。

3.控制沖突（control conflict）：流水線遇到分支指令和其他會改變PC值的指令所引起的沖突。

2.指令系統(tǒng)

2.1 指令系統(tǒng)的基本概念

[2]指令系統(tǒng)（instruction system）是指機器所具有的全部指令的集合 ，它反映了計算機所擁有的基本功能。在計算機系統(tǒng)的設計和使用過程中 ，硬件設計人員采用各種手段實現指令系統(tǒng) ，而軟件設計人員則使用這些指令系統(tǒng)編制各種各樣的系統(tǒng)軟件和應用軟件 ，用這些軟件來填補硬件的指令系統(tǒng)與人們習慣的使用方式之間的語義差距。計算機指令系統(tǒng)分為兩類：復雜指令系統(tǒng)（CISC）和精簡指令系統(tǒng)（RISC）

2.2 復雜指令系統(tǒng) （ CISC ）

2.2.1CISC的產生

早期的計算機 ，存儲器是一個很昂貴的資源 ，因此希望指令系統(tǒng)能支持生成最短的程序。此外 ，還希望程序執(zhí)行時所需訪問的程序和數據位的總數越少越好。在微程序出現后 ，將以前由一串指令所完成的功能移到了微代碼中 ，從而改進了代碼密度。此外 ，它也避免了從主存取指令的較慢動作 ，從而提高執(zhí)行效率。在微代碼中實現功能的另一論點是： 這些功能能較好的支持編譯程序。如果一條高級語言的語句能被轉換成一條機器語言指令 ，這可使編譯軟件的編寫變得非常容易。此外 ，在機器語言中含有類似高級語言的語句指令 ，便能使機器語言與高級語言的間隙減少。這種發(fā)展趨向導致了復雜指令系統(tǒng) （ CISC ）設計風格的形成 ，即認為計算機性能的提高主要依靠增加指令復雜性及其功能來獲取。

2.2.2 CISC 的主要特點

CISC指令系統(tǒng)的主要特點是：

（1）指令系統(tǒng)復雜，具體表現在以下幾個方面：

①指令數多 ，一般大于 100條。

② 尋址方式多 ，一般大于 4種。

③ 指令格式多 ，一般大于 4種。

（2）絕大多數指令需要多個機器時鐘周期方可執(zhí)行完畢。

（3）各種指令都可以訪問存儲器。

2.3 精簡指令系統(tǒng) （RISC）

2.3.1RISC的產生

由于CISC技術在發(fā)展中出現了問題 ，計算機系統(tǒng)結構設計的先驅者們嘗試從另一條途徑來支持高級語言及適應 VLSI技術特點。1975年IBM公司 John Cocke提出了精簡指令系統(tǒng)（RISC）的設想。到了1979年，[4]美國UC Berkely大學由 Patterson 教授領導的研究組，首先提出了RISC這一術語 ，并先后研制了 RISC-Ⅰ和 RISC-Ⅱ計算機。1981年美國的Stanford大學在Hennessy教授領導下的研究小組研制了MIPSRISC計算機 ，強調高效的流水和采用編譯方法進行流水調度，使得RISC技術設計風格得到很大補充和發(fā)展。到了90年代初，IEEE的Michael Slater 對于RISC的定義作了如下描述：RISC處理器所設計的指令系統(tǒng)應使流水線處理能高效率執(zhí)行 ，并使優(yōu)化編譯器能生成優(yōu)化代碼。

2.3.2 RISC 的主要特點

RISC為使流水線高效率執(zhí)行 ，應具有下述特征：

（1）簡單而統(tǒng)一格式的指令譯碼；

（2）大部分指令可以單周期執(zhí)行完成；

（3）只有 LOAD 和 STORE 指令可以訪問存儲器；

（4）簡單的尋址方式 ；

（5）采用延遲轉移技術 ；

（6）采用 LOAD 延遲技術。

RISC為使優(yōu)化編譯器便于生成優(yōu)化代碼 ，應具有下述特征：

（1）三地址指令格式 ；

（2）較多的寄存器 ；

（3）對稱的指令格式。

2.4 RISC和CISC 的比較

2.4.1不同的實現方式

兩者的實現方式是不一樣的。對于CISC來說，采用的存儲結構是比較易于實現的數據和指令合一的方式。采用這種存儲結構的原因是CISC具有比較高級的指令語義，同時具有比較長的執(zhí)行指令的周期。而對于RISC來說，其采用的存儲結構是數據和指令相互分離的結構，這是因為其采取了邏輯的硬布線方式，同時對于指令的讀取比較頻繁。

2.4.2不同的編譯器要求

如果時鐘頻率相同，同時失去編譯器，那么RISC與CISC的體系結構的計算機的效率其實并沒有差別。而且相對來說，RISC體系結構更加需要編譯器對指令的優(yōu)化。CISC具有很大的市場，同時技術的發(fā)展也已經相當成熟。RISC體系結構并不能夠直接取代CISC的體系結構。固然，RISC體系結構具有很強的競爭力，但是其邏輯硬布線到目前為止并沒有統(tǒng)一的規(guī)定。RISC也并不是傳統(tǒng)意義上的概念，現代的RISC也具有很多明顯的變化，主要表現在：具有分支預測的功能、能夠超標量執(zhí)行，同時還能夠亂序執(zhí)行指令。

3.計算機系統(tǒng)結構的發(fā)展趨勢

3.1多線程體系

所謂的多線程技術（multithreading technology）[5]，是一種結合了馮諾依曼的控制流模型以及數據流模型的新興技術。它能夠進行現場的指令級交換以及順序調度。一般說來，在線程中，如果其中一條指令執(zhí)行，那么相應后面的指令都會相繼執(zhí)行。線程可以成為計算機中調度執(zhí)行的基本步驟，同時計算機中可以同時并發(fā)運行許多個線程。這樣做的好處是：提高了并行度的效果，同時又能相互隱藏延遲的操作。多線程有著許多優(yōu)點，同時也有一些不足之處。它的優(yōu)點是能夠在很大程度上提高整個處理器的利用效率，在整體上使計算機的性能提高到一個新的檔次。多線程技術能很好地隱藏幾乎所有的延遲，這是諸如分支預測錯誤延遲技術等其它技術所不具備的。因此，多線程技術能夠在計算機微處理器的結構中具有很高的應用價值。

3.2 高性能計算

[6]高性能計算（high performance computer，HPC）是計算機集群系統(tǒng)，它通過各種互聯技術將多個計算機系統(tǒng)連接在一起，利用所有被連接系統(tǒng)的綜合計算能力來處理大型計算問題。高性能計算方法的基本原理就是將問題分為若干部分，而相連的每臺計算機均可同時參與問題的解決，從而顯著縮短了解決整個問題的計算時間。解決大型計算問題需要功能強大的計算機系統(tǒng)，隨著高性能計算的出現，使這一類應用從昂貴的大型外部計算機系統(tǒng)演變?yōu)椴捎蒙逃梅掌鳟a品和軟件的高性能計算機集群體。因此，高性能計算系統(tǒng)已經成為解決大型問題計算機系統(tǒng)的發(fā)展方向。其中，混合體系統(tǒng)結構已成為HPC發(fā)展趨勢。

4.結束語

目前計算機的發(fā)展十分迅速，已經在各個方面徹底改變了現代人們的生活方式和工作方式，人們的溝通以及工作的效率得到了很大程度上的提高。本論文簡要介紹了計算機流水線技術，指令系統(tǒng) ，然后提出了兩種指令系統(tǒng)（RISC和CISC）并對比了兩種不同的體系結構，比較了這兩種體系結構中存在的問題，進而提出計算機體系結構的發(fā)展趨勢。

參考文獻：

[1] 鄭煒民 湯志忠等譯John L.Hennessy， David A.Paterson 計算機系統(tǒng)結構：一種定量方法（第二版）[M] 北京：清華大學出版社，2002

[2] 談懷江 計算機指令系統(tǒng)的變化及發(fā)展 孝感學院計算機科學系 [J]，2014

[3] 李成錚，魏立津 計算機體系結構的發(fā)展及技術問題探討 華中科技大學文華學院 [J]，2008

[4] 劉超.計算機系統(tǒng)結構.[M]中國水利水電出版社，2005.

[5] 吳艷霞.計算機體系結構.[M]北京：清華大學出版社，2010.

[6] 張春元，羅莉等.計算機系統(tǒng)結構.[M]國防科技大學出版社，2002.