《高级计算机系统结构综述.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高级计算机系统结构综述.doc（17页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、 目录 1.概述21.1 计算机系统结构的发展21.3 计算机系统的层次结构32.计算机指令集结构42.1 指令结构的分类4 2.2 指令集结构的功能设计53.流水线技术53.1 流水线的基本概念53.2流水线的相关与冲突73.3 向量处理机84.指令并行94.1 指令的静态调度与动态调度94.2 动态分支预测技术95.存储器的层次结构105.1 存储器的结构105.2 Cache的基本知识115.3 主存与虚拟存储器126.输入/输出系统126.1 总线126.2 通道处理机137.计算机系统结构的发展趋势147.1高性能计算机体系结构147.2 高性能计算的发展方向14参考文献16 高级计
2、算机系统结构综述摘要：计算机体系结构是一门连接硬件与软件的学科，在不断的深入研究过程中，一直在追求计算机的功能、性能、功率以及花费的高度协调，以期达到各方面的最佳状态，在花费、能量、可用性的抑制下，实现计算机的多功能、高性能、低功率、少花费的新时代。本篇综述主要讲述计算机指令集结构设计，流水线技术，指令级并行，存储器层次结构，输入/输出系统以及计算机系统结构的发展趋势。关键字：高级计算机系统结构，流水线技术，指令级并行，存储器层次结构,输入/输出系统 Overview of advanced computer architectureAbstract:The computer architec
3、ture is a subject which connects hardware and software. In the process of continuous in-depth study, it has been pursuing the function, performance, power and cost of the computer, in order to achieve the best state in every aspect,and realize the new era of multi-function, high performance, low pow
4、er and low cost.This paper mainly focuses on the computer instruction set architecture, pipeline technology, instruction level parallelism, memory hierarchy, input / output system and the development trend of computer architecture.Key words:advanced computer architecture,pipeline technology,instruct
5、ion level parallelism,memory hierarchy,input / output system. 1.概述1.1 计算机系统结构的发展世界上第一台电子数字计算机是1946年在美国宾夕法尼亚大学制成的，这是科学史上一次划时代的创新，它奠定了电子计算机的发展基础。提高计算机速度始终是发展计算机性能的一个突出问题，器件的发展对推动计算机的发展起了重大作用。然而机器速度提高的速率越来越慢，这一事实促使人们对计算机系统结构做更多的研究工作更多潜力。VLSI技术的发展，带来了集成度高、体积小、功耗低、可靠性高、价格便宜的器件，使得计算机系统可以通过采用更加复杂的系统结构来创造出性
6、能更高、工作可靠、价格合理的高性能计算机。20世纪60年代初期，随着晶体管和磁芯存储器的出现，处理单元和存储器实现小型化，并行计算机开始出现。到了20世纪60年代末期，单一处理器中可以集成多个功能单元，产生了流水线技术。在70年代初，与向量计算机同时出现了并行处理机，这类计算机同向量计算机的应用领域很多是相同的，但专业性更强。20世纪80年代开始，微处理器技术高速发展。此时，微处理器随着机器的字长从4位、8位、16位一直增加到32位、64位，其性能也随之显著提高。另外，80年代在单处理机中提高指令执行的并行度方面也有新发展。简化指令系统计算机（RISC）简化了指令系统使能充分发挥流水线的作用，
7、超长指令字（VLIW）计算机和超级标量机的目标更提高了一步。从20世纪90年代末开始，以前发展的主要几种体系逐步走向融合，同时随着新技术的出现又为新的架构带来了新的革命。2006 年，处理器开始从单核转向多核处理器发展，多核处理器已不再局限于高端服务器，开始向 PC机普及，多核处理器使 PC 机变成并行式计算机。多核技术在高性能计算中也已获得了广泛应用。1.3 计算机系统的层次结构 计算机是一个十分复杂的硬、软件结合而成的整体。它通常是多层次结构的，每一级各对应一类机器，各有自己的机器语言。在这里，“机器”的定义是能存储、执行程序的算法和数据结构的集合体。各级机器的算法和数据结构的实现方法不同
8、：M0由硬件实现，M1由微程序(固件)实现，M2M5由软件实现。由软件实现的机器称为虚拟机器，以区别由硬件或固件实现的实际机器。各级的程序被翻译成比它低一级的语言的程序，或由低一级的程序解释。 如下图所示：应用语言机器M5具有L5机器语言（应用语言）高级语言机器M4具有L4机器语言（高级语言）汇编语言机器M3具有L3机器语言（汇编语言）具有L3机器语言（汇编语言）操作系统机器M2具有L2机器语言（作业控制语言等）传统机器M1具有L1机器语言(微机器令系统）应用语言程序经应用程序包 翻译成高级语言程序高级语言程序经编译程序翻 译成汇编语言汇编语言程序经汇编程序翻 译成机器语言程序一般机器语言程序
9、解释作业 微程序机器M0具有L0机器语言(微指令系统）控制语句等用微指令程序解释机器指 令 微指令由硬件直接执行 图1.1 计算机系统的层次结构图2.计算机指令集结构2.1 指令结构的分类根据CPU中用来存储操作数的存储单元的类型，可将指令集结构分为堆栈型指令集结构、累加器型指令集结构和通用寄存器型指令集结构。1.堆栈型指令集结构：堆栈型是一种表示计算的简单模型，指令短小，不能随机访问堆栈，从而很难生成有效代码。同时，由于堆栈是瓶颈，所以很难被高效地实现。2.累加器型指令集结构：累加器型减少了机器的内部状态，由于累加器是唯一的暂存器，指令短小，这种机器的存储器通信开销最大。3.通用寄存器型指令
10、集结构：寄存器型易于生成高效的目标代码，所有操作数均需命名，且要显式表示，因而指令比较长。 现代大多数机器均采用通用寄存器型指令集结构，因为寄存器和CPU内部其他存储单元一样，要比存储器快。其次是对编译器而言，可以更加容易、有效地分配和使用寄存器。根据通用寄存器型指令集结构，又可进一步分为以下三种类型：寄存器寄存器型（RR） 其优点是简单，指令字长固定，是一种简单的代码生成模型，各种指令的执行时钟周期数相近。缺点与指令中含存储器操作数的指令集结构相比指令条数多，因而其目标代码量较大。寄存器存储器型（RM） 其优点是可以直接对存储器操作数进行访问，而不必先用load指令进行加载。容易对指令进行编
11、码，且其目标代码量较小。缺点是指令中的操作数类型不同。在一条指令中同时对一个寄存器操作数和存储器操作数进行编码，将限制指令所能够表示的寄存器个数。指令的执行时钟周期数因操作数的来源（寄存器或存储器）不同而差别比较大 。存储器存储器型（MM） 其优点是一种最紧密的编码方式，无需“浪费”寄存器保存变量。缺点是指令字长多种多样。每条指令的执行时钟周期数也大不一样，对存储器的频繁访问将导致存储器访问瓶颈问题。这种类型的指令集结构现在已不用了。 2.2 指令集结构的功能设计在设计指令集结构时，有两种截然不同的设计策略，产生了两类不同的计算机系统：CISC即复杂指令集计算机。它是增强指令功能，把越来越多的
12、功能交由硬件来实行，并且指令的数量也是越来越多。CISC通过只执行在程序中经常使用的指令来简化处理器的结构，而特殊操作则以子程序的方式实现，它们的特殊使用通过处理器额外的执行时间来弥补。 RISC即精简指令集计算机。它是尽可能的把指令集简化，不仅指令的条数少，而且指令的功能也比较简单。RISC包含许多应用程序中很少使用的特定指令，执行数字存在内存而非暂存器的运算。相比之下，比较复杂的指令集较容易使工作更完善，内存及快取的效率较高，以及较为简单的程式码。3.流水线技术3.1 流水线的基本概念 流水线技术是将一个重复的时序过程分解成为若干个子过程，而每一个子过程都可有效地在其专用功能段上与其他子过
13、程同时执行。流水线中的每个子过程及其功能部件称为流水线的级或段，段与段相互连接形成流水线。流水线的段数称为流水线的深度。流水线技术具有以下特点（1） 流水过程由多个相联系的子过程组成，每个过程称为流水线的“级”或“段”。（2） 每个子过程由专用的功能段实现。（3） 各个功能段所需时间应尽量相等。流水线需要有“通过时间”，在此之后流水过程才进入稳定工作状态，每一个时钟周期流出一个结果。（4） 流水技术适合于大量重复的时序过程，只有在输入端能连续地提供任务，流水线的效率才能充分发挥。 从不同的角度和观点，可以把流水线分成多种不同的种类。如下图所示：流水线流水线完成功能分类 同一时间各段连 接方式数据表示流水线中是否有反馈路线任务流入流出顺序是否相同流水级别动态流水线静态流水线乱序流水线顺序流水线非线性流水线线性流水线向量流水处理机标量流水处理机处理机级流水线部件级流水线多功能流水线单功能流水线多功能流水线处理机级流水线动态流水线标量流水处理机部件级流水线静态流水线顺序流水线非线性流水线乱序流水线线性流水线 图2.1 流水线分类图 单功能流水线：只能完成一种固定功能的流水线多功能流水线：流水线的各段可以进行不同的连接，从而使流水线在不同的时间，或者在同一时间完成不同的功能。静态流水线
