《計算機(jī)組成原理》6-CPU設(shè)計

《計算機(jī)組成原理》6-CPU設(shè)計

CPU設(shè)計基本概念及發(fā)展歷程01CPU是計算機(jī)的核心部件負(fù)責(zé)執(zhí)行指令處理數(shù)據(jù)控制其他硬件設(shè)備CPU設(shè)計包括功能設(shè)計、架構(gòu)設(shè)計、指令集設(shè)計、流水線設(shè)計、多核設(shè)計與調(diào)度、緩存設(shè)計和功耗與熱設(shè)計等方面功能設(shè)計：確定CPU的功能需求架構(gòu)設(shè)計：設(shè)計CPU的結(jié)構(gòu)和組成指令集設(shè)計：設(shè)計CPU支持的指令集流水線設(shè)計：提高CPU的執(zhí)行效率多核設(shè)計與調(diào)度：實現(xiàn)多核CPU的高效運行緩存設(shè)計：提高CPU的訪問速度功耗與熱設(shè)計：降低CPU的功耗和溫度CPU設(shè)計的目的是提高性能、降低成本和功耗性能：提高CPU的執(zhí)行速度和處理能力成本：降低CPU的生產(chǎn)成本和研發(fā)成本功耗：降低CPU的功耗，提高能源利用效率CPU設(shè)計的基本概念CPU設(shè)計的發(fā)展歷程第一代CPU（1971年-1978年）4位、8位處理器，如Intel4004、Intel8086采用集中式架構(gòu)，指令集簡單，性能較低第二代CPU（1978年-1985年）16位處理器，如Intel8086、Motorola68000采用微程序控制，指令集豐富，性能提高第三代CPU（1985年-1995年）32位處理器，如Intel80386、ARMCortex-M3采用硬連線控制，流水線技術(shù)，性能進(jìn)一步提高第四代CPU（1995年-至今）64位處理器，如IntelCorei7、ARMCortex-A53多核處理器，支持超線程技術(shù)，性能大幅提升采用高級緩存技術(shù)，降低功耗和提高性能CPU設(shè)計的未來趨勢更高性能提高時鐘頻率增加核心數(shù)量優(yōu)化架構(gòu)和流水線設(shè)計更低功耗采用低功耗工藝優(yōu)化功耗管理技術(shù)提高能效比更強(qiáng)可擴(kuò)展性支持多線程和分布式計算支持虛擬化和容器技術(shù)支持異構(gòu)計算和加速器集成更智能引入人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)實現(xiàn)自適應(yīng)計算和智能調(diào)度提高用戶體驗和系統(tǒng)性能CPU功能與架構(gòu)分析02執(zhí)行算術(shù)和邏輯運算處理整數(shù)和浮點數(shù)支持多媒體和數(shù)據(jù)壓縮數(shù)據(jù)處理解釋和執(zhí)行指令控制程序流程和分支處理異常和中斷控制指令執(zhí)行與其他硬件設(shè)備通信控制內(nèi)存和輸入輸出設(shè)備支持操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序系統(tǒng)協(xié)調(diào)與控制CPU的功能架構(gòu)類型集中式架構(gòu)：指令和數(shù)據(jù)存儲在同一存儲器中分布式架構(gòu)：指令和數(shù)據(jù)存儲在不同的存儲器中混合架構(gòu)：結(jié)合集中式和分布式架構(gòu)的特點01指令執(zhí)行單元算術(shù)邏輯單元（ALU）：執(zhí)行算術(shù)和邏輯運算寄存器文件：存儲操作數(shù)和結(jié)果控制單元（CU）：解釋和執(zhí)行指令02流水線設(shè)計單流水線：指令執(zhí)行順序進(jìn)行多流水線：多條指令同時執(zhí)行動態(tài)流水線：根據(jù)指令需求調(diào)整流水線階段03CPU的架構(gòu)CPU性能的評估方法指令執(zhí)行速度時鐘頻率：單位時間內(nèi)執(zhí)行的指令數(shù)指令周期：執(zhí)行一條指令所需的時間流水線級數(shù)：流水線中的階段數(shù)吞吐量指令吞吐量：單位時間內(nèi)執(zhí)行的指令數(shù)數(shù)據(jù)吞吐量：單位時間內(nèi)處理的數(shù)據(jù)量延遲指令延遲：從指令發(fā)出到執(zhí)行完成所需的時間數(shù)據(jù)延遲：從數(shù)據(jù)讀取到寫入完成所需的時間能效比性能：CPU執(zhí)行指令和處理數(shù)據(jù)的能力功耗：CPU運行過程中消耗的電能能效比：性能與功耗的比值CPU指令集設(shè)計03指令集架構(gòu)（ISA）定義CPU支持的指令集規(guī)定指令的格式和編碼確定指令的執(zhí)行方式和硬件支持架構(gòu)類型CISC（復(fù)雜指令集計算機(jī)）：指令數(shù)量多，功能復(fù)雜RISC（精簡指令集計算機(jī)）：指令數(shù)量少，功能簡單BIC（混合指令集計算機(jī)）：結(jié)合CISC和RISC的特點指令集架構(gòu)概述指令格式操作碼：指示執(zhí)行的操作地址碼：指示操作數(shù)的地址寄存器：存儲操作數(shù)和結(jié)果指令類型數(shù)據(jù)處理指令：執(zhí)行算術(shù)和邏輯運算控制指令：控制程序流程和分支系統(tǒng)指令：與操作系統(tǒng)和硬件設(shè)備通信指令編碼固定長度編碼：指令長度固定-可變長度編碼：指令長度可變?nèi)哂嗑幋a：提高編碼效率和可靠性指令集設(shè)計的關(guān)鍵要素??????指令集設(shè)計的實例分析x86架構(gòu)CISC架構(gòu)，支持復(fù)雜指令集指令長度可變，支持32位和64位引入多媒體指令集，支持圖形和音頻處理ARM架構(gòu)RISC架構(gòu)，支持精簡指令集指令長度固定，支持32位和64位引入NEON指令集，支持多媒體和機(jī)器學(xué)習(xí)CPU流水線設(shè)計04流水線的基本概念流水線：將指令的執(zhí)行過程分成多個階段提高指令執(zhí)行速度實現(xiàn)指令并行執(zhí)行流水線階段取指：從指令存儲器中讀取指令-譯碼：解釋指令并獲取操作數(shù)執(zhí)行：執(zhí)行指令并產(chǎn)生結(jié)果寫回：將結(jié)果寫入寄存器或存儲器流水線分類單流水線：指令執(zhí)行順序進(jìn)行多流水線：多條指令同時執(zhí)行動態(tài)流水線：根據(jù)指令需求調(diào)整流水線階段流水線實現(xiàn)硬件實現(xiàn)：通過硬件邏輯實現(xiàn)流水線功能軟件實現(xiàn)：通過軟件指令實現(xiàn)流水線功能混合實現(xiàn)：結(jié)合硬件和軟件實現(xiàn)流水線功能流水線的分類與實現(xiàn)流水線性能的優(yōu)化方法流水線并行度增加流水線階段數(shù)，提高并行度優(yōu)化指令調(diào)度，提高并行度流水線沖突采用動態(tài)流水線技術(shù)，減少沖突使用多流水線技術(shù)，增加并行度流水線級數(shù)增加流水線級數(shù)，提高指令執(zhí)行速度優(yōu)化指令設(shè)計，減少流水線級數(shù)CPU多核設(shè)計與調(diào)度05多核CPU：具有多個獨立核心的處理器提高并行計算能力支持多線程和分布式計算核心類型同構(gòu)核心：多個核心具有相同的架構(gòu)和功能異構(gòu)核心：多個核心具有不同的架構(gòu)和功能多核CPU設(shè)計的基本概念多核CPU的調(diào)度策略調(diào)度策略先來先服務(wù)（FCFS）：按指令到達(dá)順序執(zhí)行最短作業(yè)優(yōu)先（SJF）：按指令執(zhí)行時間最短執(zhí)行時間片輪轉(zhuǎn)：按時間片分配指令執(zhí)行時間優(yōu)先級調(diào)度：按指令優(yōu)先級分配執(zhí)行資源調(diào)度算法先進(jìn)先出（FIFO）：指令按到達(dá)順序執(zhí)行最少執(zhí)行時間（MIN）：指令執(zhí)行時間最短多級反饋隊列（MLFQ）：結(jié)合FIFO和MIN的優(yōu)點核心分配均勻分配：將指令分配給所有核心動態(tài)分配：根據(jù)核心負(fù)載和指令需求分配線程調(diào)度同步調(diào)度：多個線程順序執(zhí)行異步調(diào)度：多個線程并行執(zhí)行緩存優(yōu)化分級緩存：采用多級緩存結(jié)構(gòu)緩存一致性：保證緩存數(shù)據(jù)的一致性多核CPU性能的優(yōu)化方法CPU緩存設(shè)計06緩存：存儲CPU常用數(shù)據(jù)的臨時存儲器提高CPU訪問速度減少內(nèi)存訪問時間緩存分類一級緩存（L1）：靠近CPU的高速緩存二級緩存（L2）：靠近CPU的低速緩存三級緩存（L3）：遠(yuǎn)離CPU的緩存緩存的基本概念與分類緩存容量確定緩存容量，平衡緩存大小和性能使用大容量緩存，提高緩存命中率01緩存替換策略最近最少使用（LRU）：替換最近最少使用的數(shù)據(jù)最不經(jīng)常使用（LFU）：替換最不經(jīng)常使用的數(shù)據(jù)時間局部性：根據(jù)數(shù)據(jù)訪問時間進(jìn)行替換空間局部性：根據(jù)數(shù)據(jù)訪問位置進(jìn)行替換02緩存一致性采用寫回策略，保證緩存數(shù)據(jù)的一致性使用無效化操作，防止緩存錯誤03緩存的設(shè)計策略與優(yōu)化緩存命中率：緩存中命中的數(shù)據(jù)占總數(shù)據(jù)的比例高緩存命中率：提高CPU訪問速度和處理能力緩存命中率緩存延遲緩存延遲：從CPU請求數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)返回所需的時間低緩存延遲：提高CPU訪問速度和處理能力緩存帶寬緩存帶寬：單位時間內(nèi)緩存?zhèn)鬏數(shù)臄?shù)據(jù)量高緩存帶寬：提高CPU訪問速度和處理能力緩存性能的評估方法??????CPU功耗與熱設(shè)計07CPU功耗產(chǎn)生的原因靜態(tài)功耗晶體管泄漏電流：晶體管在關(guān)閉狀態(tài)下產(chǎn)生的電流邏輯門翻轉(zhuǎn)功耗：邏輯門在切換狀態(tài)時產(chǎn)生的功耗動態(tài)功耗運算功耗：執(zhí)行指令時產(chǎn)生的功耗訪問功耗：訪問內(nèi)存和I/O設(shè)備時產(chǎn)生的功耗動態(tài)電壓頻率調(diào)整（DVFS）根據(jù)CPU負(fù)載調(diào)整電壓和頻率，降低功耗提高能效比，降低能源消耗指令調(diào)度優(yōu)化優(yōu)化指令執(zhí)行順序，降低功耗提高指令并行度，降低功耗功耗關(guān)閉技術(shù)關(guān)閉空閑核心和模塊，降低功耗使用低功耗模式，降低功耗功耗管理技術(shù)熱設(shè)計方法散熱片：通過散熱片將熱量傳導(dǎo)到散