處理器構(gòu)件課件

處理器構(gòu)件一、基礎(chǔ)知識(shí)

流水線的基礎(chǔ)指令流水線的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)流水線的設(shè)計(jì)二、高性能的設(shè)計(jì)技術(shù)超標(biāo)量設(shè)計(jì)技術(shù)超流水線設(shè)計(jì)技術(shù)后RISC、多媒體和超長(zhǎng)指令字技術(shù)三、處理器的發(fā)展未來(lái)的處理器芯片將可能是：更高密度；更大微芯片；更高的時(shí)鐘速率；更高的lLP開發(fā)；更低的CPI；更大的功耗；更復(fù)雜的軟件支持。1.硬件發(fā)展趨向和物理極限

1994年半導(dǎo)體工業(yè)協(xié)會(huì)(SIA)已預(yù)測(cè)：在2010年將生產(chǎn)出有8億晶體管的CPU芯片，該芯片會(huì)有數(shù)千個(gè)引腳，1000位總線，超過2GHz的時(shí)鐘速率以及功耗將高達(dá)180瓦。微處理器性能在10年內(nèi)將增加50倍。主要限制：在體系結(jié)構(gòu)和編譯器方面若沒有大的突破，要開發(fā)更高的ILP是相當(dāng)困難的。另一個(gè)限制是巨型CPU芯片所釋放的過分熱量，冷卻和封裝將是實(shí)際問題。物理障礙在未來(lái)的幾年中有待跨越。

2.未來(lái)的工作負(fù)載和挑戰(zhàn)

處理器體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展受所期望的應(yīng)用工作負(fù)載的驅(qū)動(dòng)。在以后的20年中，無(wú)論是對(duì)通用還是對(duì)專用處理器來(lái)講它們的工作負(fù)載將會(huì)有很大變化。用戶接口將消耗多媒體微處理器中更多功率。在實(shí)時(shí)和嵌入式應(yīng)用中的多媒體工作負(fù)載將會(huì)繼續(xù)增長(zhǎng)。四、未來(lái)微處理器的體系結(jié)構(gòu)下面提供一些正在開發(fā)先進(jìn)體系結(jié)構(gòu)的美國(guó)的主要研究小組。目的：追蹤他們未來(lái)的成果。(1)多路超標(biāo)量處理器YalePatt領(lǐng)導(dǎo)的密西根大學(xué)的研究小組研究了后RISC的特性，如下圖；針對(duì)當(dāng)今的超標(biāo)量處理器大都是3或4發(fā)射的設(shè)計(jì)，已弄清指令供應(yīng)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器供應(yīng)以及1個(gè)可實(shí)現(xiàn)的執(zhí)行核心是妨礙目前超標(biāo)量提升到16路或32路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題；提議采用無(wú)序取指、多種混合的轉(zhuǎn)移預(yù)測(cè)器以及路徑高速緩存以改善指令供應(yīng)；提議使用巨大的片內(nèi)高速緩存和對(duì)數(shù)據(jù)值的猜測(cè)以增強(qiáng)數(shù)據(jù)供應(yīng)；提倡使用大型的無(wú)序發(fā)射指令窗口(2000條指令)；功能部件的群集堆以及對(duì)就緒指令的層次調(diào)度；提議欲保持與目前單處理器芯片的軟件兼容性。(2)超級(jí)猜測(cè)處理器JohnShen領(lǐng)導(dǎo)的卡內(nèi)基—梅隆大學(xué)小組提出；側(cè)重于在所有層次上使用大規(guī)模猜測(cè)以達(dá)到改善性能目的。他們提出了一個(gè)超流(Superflow)微體系結(jié)構(gòu)，取指寬度32，重排序緩沖器128以及供各種存儲(chǔ)器構(gòu)造使用的128項(xiàng)存儲(chǔ)隊(duì)列；他們使用的是弱相關(guān)模型，從而對(duì)于某些基準(zhǔn)程序可達(dá)到每周期處理多至19條指令(IPC)的超級(jí)猜測(cè)性能，而對(duì)于SPEC95的整數(shù)基準(zhǔn)程序組可獲得的調(diào)和均值性能為9IPC。這種模型的使用不需要重新編譯或?qū)SA進(jìn)行改變。他們的研究成果在許多方面是對(duì)密西根的多路超標(biāo)量體系結(jié)構(gòu)的補(bǔ)充。(3)同時(shí)執(zhí)行的多線程處理器：由SusanEggerst領(lǐng)導(dǎo)的華盛頓大學(xué)的研究小組提出的；同時(shí)執(zhí)行多線程(SMT)代表多現(xiàn)場(chǎng)單處理器。SMT方法遠(yuǎn)離了那些單線程的單處理器體系結(jié)構(gòu)。SMT處理器在由多道程序工作負(fù)載產(chǎn)生的多線程間共享一條激進(jìn)流水線。該方法的成功與否主要取決于線程級(jí)的高ILP的可用性。到目前為止，只有模擬的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該方法可獲得某種性能增益。(4)路徑(多標(biāo)量)處理器由威士康星大學(xué)的Smith和VaJaeyam提出的。其構(gòu)思是使用由多個(gè)片內(nèi)處理器核心組成的路徑處理器，各個(gè)核心同時(shí)執(zhí)行代碼的一個(gè)不同路徑。除了一個(gè)核心以外，其他核心都使用轉(zhuǎn)移預(yù)測(cè)選擇路徑并猜測(cè)地執(zhí)行這些路徑。威士康星小組認(rèn)為未來(lái)的多標(biāo)量處理器將主要依賴于復(fù)制、層次化和預(yù)測(cè)方法以動(dòng)態(tài)地增加一般順序程序的執(zhí)行速度。(5)向量IRAM處理器IRAM-Intelligentrandomaccessmemory。這是DavidPattersonl領(lǐng)導(dǎo)的加州大學(xué)伯克萊分校的一個(gè)研究項(xiàng)目。針對(duì)存儲(chǔ)器性能瓶頸開展。探索DRAM技術(shù)可將可擴(kuò)展多處理器嵌入到片內(nèi)的大型存儲(chǔ)器陣列中。巨大片內(nèi)存儲(chǔ)器容量和高帶寬應(yīng)使成本有效的向量處理機(jī)比傳統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)獲得高得多的性能。他們相信未來(lái)的工作負(fù)載將會(huì)含有更多可向量化成分。(6)單片多處理器斯坦福大學(xué)開發(fā)單片多處理器(CMP)的研究項(xiàng)目；它在單芯片上實(shí)現(xiàn)4到16個(gè)快速處理器。每個(gè)處理器與一個(gè)小型的1級(jí)高速緩存緊密耦合，而所有處理器又共享一個(gè)大型的2級(jí)高速緩存。這些處理器可合作處理一個(gè)并行作業(yè)或是各自運(yùn)行獨(dú)立任務(wù)。要使CMP要求編譯器必須顯式地使代碼并行化。CMP體系結(jié)構(gòu)與老的ISA不兼容，雖然它們可以緩慢或低效地運(yùn)行在小規(guī)模處理器上。斯坦福研究人員期待線程和進(jìn)程并行性在未來(lái)將會(huì)廣為流傳。(7)原始(可構(gòu)造)處理器MIT計(jì)算機(jī)科學(xué)實(shí)驗(yàn)室的研究項(xiàng)目提出了遠(yuǎn)離傳統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。它的基本思想是在單芯片上用幾百個(gè)，每個(gè)帶有某些可