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1、第二章 处理机,本课程中,在并行处理系统结构中，我们把处理机看成是系统的一个功能模块。 处理机和处理器的界限越来越模糊。,2.1 概述,处理机跟随着器件的发展而发展。 处理机结构的发展： 第一代：单处理机 第二代：多功能处理单元 第三代：微处理机和微计算机、MIMD 和SIMD、向量处理机等结构 第四代：工作站、局域网、扩展的SIMD 系统、面向对象的系统结构,器件和系统结构的发展对处理机性能的提高体现在：,处理速度提高了四个量级以上； 外观上体积明显减小； 处理机结构中采用的新技术 数据路径得到扩展、寄存器组的数量增加、先行控制技术、多个运算单元并存、高缓技术的应用等,性能衡量,MIPS:
2、million instructions per second 每秒百万条指令数（基于指令） MFlops: million floating point operation per second 每秒百万次浮点操作次数（基于操作） 基准测试程序,体积对比,超级计算机天河一号，每秒钟1206万亿次的峰值速度 采用了“多阵列可配置协同并行体系结构”等7项关键创新技术,处理机四个主要功能,指令控制 操作控制 时间控制 数据处理,2.2 应用对选择处理机的影响,通用机：具有多方面的处理能力，但没有特别突出之处。 专用机：对某一类应用问题具有非常强的解题能力，但其他方面功能较差。,2.3 微程序技术,
3、1. 处理机的控制方式 三代以前，硬件控制方式 三代开始，出现了微程序控制方式，它是对体系结构影响较大的一种中央控制技术,计算机系统的层次结构,硬件电路,硬联控制技术,早期，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。 控制电路复杂，不规整，而且一旦设计完成，只能针对一种机器语言，不能加以改变。 不利于电路的集成、设计、生产，使用也不灵活。 运行速度快。,硬件电路,微程序技术,把存储器引入微程序控制器中。 只要在控制存储器中配以不同的微程序内容，就可以仿真不同的机器指令，提高了存储器芯片的通用性。 校验、维护、调试及修改比较方便，大大提高了系统设计制作的灵活性。 其访存时间较长，导致其
4、速度与硬联控制网络相比要有所降低。,2. 一些基本概念,微命令和微操作 控制部件通过控制线向执行部件发送各种控制命令，我们把这种控制命令称之为微命令。 执行部件受到微命令的控制，所完成的一系列相应的操作，称之为微操作。,微操作可分为相容性的与相斥性的,相容性的微操作：是指同时或在同一CPU周期内能够并行执行的微操作。 相斥性的微操作：是指不能同时或在同一CPU周期内并行执行的微操作。,微指令与微程序,一条微命令控制一个微操作，那么若干条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微命令集合称为一条微指令。 传统机的一条机器指令是由一串微指令序列构成的，我们称之为微程序。
5、,微指令的具体结构,串行微程序控制和并行微程序控制,串行微程序控制是指在微程序运行过程中，取一条微指令，执行完毕后，再取下一条微指令再执行，即在整个微程序中的微指令是一条一条顺序取指、执行的。 并行微程序控制，即在同一时刻对多条微指令进行操作。,机器指令与微指令的关系,3.微程序控制器的设计,2.4 指令与寻址,衡量一个指令系统的性能应包括： 完备性：能编写任何功能的程序，指令丰富，功能齐全，使用方便。 有效性：编写的程序能够高效率地运行。 规整性：指令系统能支持多种数据表示方式、寻址方式及存储方式。 兼容性：基本软件可以互相兼容或“向上兼容”的，即低档机上的软件可以在高档机上运行。,按指令系
6、统来划分,复杂指令集计算机(CISC)：Complex Instruction Set Computer 精简指令集计算机(RISC)：Reduced Instruction Set Computer,CISC特点,拥有大量的机器语言指令，指令格式、寻址方式和指令字长也有多种形式。 由于CPU要支持如此庞大的指令系统，因而CPU中的控制部件非常复杂。 大多数计算机系统仍然是CISC结构的，典型的机型有IBM370、VAX-11/780及MC68020等。,CISC存在的问题,指令系统过于庞大。一般指令条数都在200条以上 ，控制指令译码、分析和执行的硬件电路非常复杂 。 寻址方式复杂，使得CP
7、U计算有效地址时间较长。 难以实现高级语言的最优化编译。 只有20的指令在80的时间里运行，而80的指令使用的时间仅占20。,RISC的发展,1975年，IBM公司设计电话交换系统的控制器，简化结构，提高速度 1979年，32位IBM801，120条指令，10MIPS 80年代初，32位的RISC处理器RISC I和RISC II 90年代之后，多样化的RISC局面,RISC特征（1）,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，一般指令不超过100条。 指令字长固定，寻址方式一般不超过四种，指令格式也不超过四种。 所有指令(几乎所有指令)均在单指令周期完成。,RISC特征（2）,指令系统中只允许存(STORE)和取(LOAD)指令访问主存，其它指令均在寄存器之间进行。 CPU中设置大量的寄存器，称作寄存器堆。 指令的运行采用高效的流水线方式。 以硬布线控制逻辑为主，不用或少用微码。 优化的编译程序，简单有效地支持高级语言。,RISC的构成技术,重叠寄存器窗口技术 指令执行的流水线及延迟转移技术 RISC的存储体系 硬布线控制逻辑,重叠寄存器 窗口技术,
