高級計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概述.ppt

高級計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu),雷航 ,前 言,課程歷史:,現(xiàn)代微機系統(tǒng),現(xiàn)代微機結(jié)構(gòu),高級計算機體系結(jié)構(gòu),1、本課程的前續(xù)課程 (1) 微型計算機原理及應(yīng)用 主要內(nèi)容: 微型計算機的基本組成 尋址方式、指令系統(tǒng)以及匯編語言程序設(shè)計 信息存儲原理、存儲器組織、存儲空間分配以及 如何與CPU接口 微機接口: 查詢、中斷、DMA三種主要接口方式 典型接口芯片: Intel8255/8253/8259/8237/8251等 微機應(yīng)用: 如串行/并行通信、A/D和D/A轉(zhuǎn)換等,(2) 計算機組成原理 主要內(nèi)容: 運算器的構(gòu)成(從全加器、進位鏈到加法器、乘法器等, 以及原碼、補碼的各種運算方法) 控制器的構(gòu)成: 組合邏輯設(shè)計方法、微程序設(shè)計方法 存儲器: 存儲信息的原理、存儲器的組織、存儲空間的分配等 計算機接口: 查詢、中斷、DMA等 外部設(shè)備: 如CRT、磁盤、磁帶機、打印機等,學習以上兩門課程的目的: 掌握計算機和微型計算機的基本工作原理以及一些基本的應(yīng)用。 計算機原理偏重于內(nèi)部特性和原理 微機原理則偏重于外部特性和原理,(3) 操作系統(tǒng) 掌握一些基本概念, 如多任務(wù)機制、分段、分頁等存儲管理。,2、本課程的主要內(nèi)容和目的 主要內(nèi)容 (1) 現(xiàn)代計算機硬件體系結(jié)構(gòu), 著重介紹:, 引入的關(guān)鍵技術(shù), 如流水線、虛存機制、保護模式、超標量結(jié)構(gòu)、指令重調(diào)度、超線程、多核技術(shù)、向量計算等, 并以Intel系列微處理器為典型代表進行介紹。,(2) RISC處理器設(shè)計方法以及與CISC的比較 (3) 64位處理器 (4) 總線技術(shù) (5) 計算機的一般性能評價方法等, 處理器體系結(jié)構(gòu),學習目的 掌握現(xiàn)代計算機硬件技術(shù)的特征、發(fā)展狀況、不斷引入的新技術(shù)和發(fā)展方向,了解新技術(shù)如何提高處理器以及計算機系統(tǒng)的性能，為進行計算機系統(tǒng)分析和研究、以及為其它專業(yè)課程的學習進行打下基礎(chǔ)。同時, 也從一個更高的層面上學習計算機硬件技術(shù)。,課程特點 (1) 內(nèi)容豐富, 概念多, 但難度不大; (2) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與微處理器相結(jié)合,第一章 概述 一、計算機的發(fā)展過程 (一) 計算機的發(fā)展時期歸納,(二) 計算機性能指標,網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),70年代前 70年代 80年代 90年以后,大中型機,小型機,微型機,(1) 字長,第1臺64位微處理器:,DEC的Alpha21064, 64位計算機系統(tǒng), 內(nèi)部總線和寄存器為64位 外部總線64位 配置64位操作系統(tǒng) 64位數(shù)據(jù)一次性處理,(2) 速度,從每秒幾萬條指令到每秒達到上數(shù)千億條指令。,速度是衡量計算機處理能力的一個綜合指標。,主頻、處理器的結(jié)構(gòu)、指令運行模式、Cache的容量、內(nèi)存的大小和速度等諸多因素, 最終都將表現(xiàn)在計算機的速度上。, 64位處理器: 64位內(nèi)外部總線、64位寄存器,(3) 容量 內(nèi)存容量:, 外存容量, 高速緩存(Cache)容量:,不計入存儲容量, 主頻, 決定主頻的因素?, MIPS: 百萬條指令/每秒, 基準測試程序, 比如SPEC,(比如Intel80386系統(tǒng)的理論內(nèi)存空間可達 232=4000M ) 。, 用什么來衡量速度,(三) 微處理器發(fā)展過程中引入的一些重要技術(shù) 1、虛存管理機制 提供分段管理和分頁管理等的硬件支持, 為操作系統(tǒng)實現(xiàn)虛存管理、多任務(wù)機制提供了便利,2、流水線技術(shù) 地址流水線和指令流水線,3、分支預測技術(shù) 提高程序分支時的執(zhí)行效率,4、超級標量結(jié)構(gòu) 實現(xiàn)了單核多條指令流水線的并行執(zhí)行,5、大容量高速緩存 極大緩解了CPU速度與內(nèi)存速度不匹配的矛盾,為實現(xiàn)指令流水線起到了重要的作用,6、RISC技術(shù) 處理器的一種設(shè)計方法, 提高了處理器的速度, 使處理器的設(shè)計方法向前邁進了一大步,7、SIMD技術(shù)(Single Instruction Multi-Data) 單指令多數(shù)據(jù)流技術(shù),8、指令亂序執(zhí)行技術(shù) 指令的重調(diào)度(指令重新排序、指令動態(tài)調(diào)度)能力, 使指令流水線具有更高的執(zhí)行效率,9、顯示并行計算(EPIC) 使處理器具有更高的指令并行能力,11、多核技術(shù) 使處理器具有多處理器的處理能力,10、向量處理 一種面向運算的并行處理器技術(shù),二、處理器(硬件)的熱點(近十幾年) 1、PC處理器典型代表:,Intel8086系列處理器, 指令執(zhí)行方式:, 總線:,內(nèi)外部總線均為64位, 體系結(jié)構(gòu):,指令流水線,超級標量結(jié)構(gòu), Pentium基本型:,稱為“多能Pentium”, 在Pentium基本型基礎(chǔ)上增加以下功能:, 新增加57條多媒體信息處理指令 片內(nèi)Cache容量從16K增加到32K SIMD技術(shù): 一條指令同時處理多個數(shù)據(jù),傳統(tǒng)標量處理,SIMD,X,Y, 積和運算功能,如單指令可完成計算:,Pentium基本型和Pentium MMX稱為第一代奔騰處理器(P5架構(gòu)), 飽和計算功能,將溢出后的結(jié)果作為最大值或最小值處理。,X=a0b0a1b1a2b2a3b3a6b6a7b7,目的:,避免做溢出處理導致流媒體信息處理實時性能下降和顏色出現(xiàn)倒置, 14級流水線, 雙穴封裝技術(shù):, 指令亂序執(zhí)行:, 寄存器重命名(Register renaming):,分析并重排指令, 優(yōu)化指令的順序執(zhí)行。也稱為指令流分析技術(shù),數(shù)據(jù)重新定位到一個內(nèi)部寄存器(速度與流水線的考慮), Pentium Pro: 高能Pentium,將L2Cache(256K)封裝在一個模塊中, L1Cache和L2Cache之間采用64位的獨立總線連接,在Pentium基本型的基礎(chǔ)上的主要改進: 將CISC指令集轉(zhuǎn)換為類RISC指令集來執(zhí)行;,(Pentium II只支持2個處理器), Pentium II: 在Pentium Pro體系結(jié)構(gòu)中引入奔騰MMX功能 Pentium Pro與Pentium MMX技術(shù)的結(jié)合 二級Cache從256K增加到512K Pentium II Xeon(至強): 在Pentium II基礎(chǔ)上的主要改進: 二級Cache從512K增加到1M 可支持4個或更多個處理器,從PentiumPro到PentiumIII稱為第二代奔騰處理器(P6架構(gòu)),原有Pentium處理器的SIMD只能處理整數(shù), 而Pentium III的SIMD, 既能處理整數(shù), 也能處理浮點數(shù)。, Pentium III: 在PentiumII基礎(chǔ)上的主要改進: 新增加了70條指令, 增強對多媒體信息、3維圖形圖象信息、互連網(wǎng)操作的處理能力 增強的SIMD技術(shù), Pentium 4: Pentium 4采用了新的內(nèi)部設(shè)計, 主要表現(xiàn)為: 增加了144條指令, 進一步增強了對多媒體信 息/3維信息/互連網(wǎng)操作的處理能力; 主頻達2G以上, 提高了指令執(zhí)行的吞吐率; 系統(tǒng)總線的速度從PentiumIII的133M提高到了400M; 流水線的級數(shù)(流水線深度)從PentiumIII的14級提高到20級; 超線程技術(shù) (Hyper-Threading),Pentium4、Prescott、Pentium D的體系結(jié)構(gòu)均稱為NetBurst,主要特征: 流水線的級數(shù)從Pentium 4的20級提高到30級 提高了分支預測機構(gòu)的預測效率, Pentium D,主要特征: 沿用Prescott架構(gòu), 采用雙核結(jié)構(gòu)(2個獨立的Prescott核心) 不支持超線程, CORE2 (酷睿2),CORE2的體系結(jié)構(gòu)稱為Core微架構(gòu) 通用于臺式機、服務(wù)器和筆記本電腦, 雙核結(jié)構(gòu) 更長位數(shù)SIMD (128位整數(shù)及128位浮點, 傳統(tǒng)的處理器為64位) 降低了功耗 整體性能比Pentium D提高44。,(2) 從集成技術(shù)的角度, CMOS(互補金屬氧化物半導體電路)工藝,直接在半導體基片上制作各種晶體管電路, SOI制作工藝,(Silicon On Insulator), 減少了充電電流, 降低了功耗, 減少了晶體管的靜電電容, 縮短了充放電時間, 提高了晶體管的切換速度,SOI制作工藝與同期CMOS工藝相比, 速度可提高35%40%, 功耗可減少50%60%,曾有資料認為: SOI技術(shù)將使摩爾定律繼續(xù)起作用,有望使CPU主頻提高到T級。,但是: 近年來以及可預見的將來, 處理器的發(fā)展方向不是提高主頻, 而是多核處理器, 銅芯片 采用銅導線來代替鋁用于集成電路中晶體管之間的互聯(lián)線, 在相同條件下減少40的功耗; 還可以將銅導線與SOI技術(shù)相結(jié)合(IBM率先采用了該方式)。, Low K互連層技術(shù) Low K材料解決了芯片中的信號干擾, 并降低處理器的功耗，提高處理器的高頻穩(wěn)定性。, 應(yīng)變硅技術(shù) 基本原理: 加大硅原子的間距, 以減小電子通行所受到的阻力, 相當于減小了電阻。從而降低了功耗和熱量, 使運行速度得以提升。,目前, 在處理器的工藝上, 芯片的功耗、封裝等越來越難以處理, 使得摩爾定律本身的發(fā)展及其對處理器的影響發(fā)生了一些深刻的變化。,首先, 摩爾定律趨勢已經(jīng)變緩, 由原來的1.5年一代變?yōu)?-3年一代。除技術(shù)難度增加以外, 集成電路生產(chǎn)線更新?lián)Q代的成本越來越昂貴。,其次, 處理器主頻正在與摩爾定律分道揚鑣。過去每代微處理器主頻是上代產(chǎn)品的兩倍中, 只有1.4倍來源于器件的按比例縮小, 另外1.4倍來源于結(jié)構(gòu)優(yōu)化。,為此, 芯片設(shè)計越來越強調(diào)結(jié)構(gòu)的層次化、功能部件的模塊化和分布化, 即每個功能部件都相對地簡單, 部件內(nèi)部盡可能保持通信的局部性。,(3) 從體系結(jié)構(gòu)的角度, 處理器體系結(jié)構(gòu),從標量結(jié)構(gòu)演變到超級標量結(jié)構(gòu) 從單數(shù)據(jù)流演變到多數(shù)據(jù)流 處理器內(nèi)單一總線結(jié)構(gòu)演變?yōu)槎嗫偩€結(jié)構(gòu) 單指令發(fā)射到多指令發(fā)射,即把多條指令連在一起, 增加運算速度。,超長指令字VLIW(Very Long Instruction Word),比如: 編譯器把“R1+R2R3”和“R4+R5R6”這兩條指令組合到一個指令字中(兩條指令無寄存器相關(guān))。,如：比較Intel 80286與Pentium的內(nèi)部結(jié)構(gòu), Intel 80286,Pentium基本型, 微機系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)的變化,從單一總線結(jié)構(gòu),主要表現(xiàn)為PCI總線出現(xiàn)后, 在一個系統(tǒng)中PCI總線、ISA總線、EISA總線并存。,多總線結(jié)構(gòu),(4) 從指令計算的角度 指令計算的執(zhí)行順序的演變:,串行計算方式:,指令流水線:,指令1, ,指令2,指令3,指令4,指令1,指令2,指令3,指令4, , EPIC模式,EPIC體系結(jié)構(gòu)最基本的特點是從VLIW繼承而來: 支持由編譯器來決定指令執(zhí)行方案。,在傳統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)中, 由于分支指令的存在, 執(zhí)行時可能會造成很長的延遲, 所以條件分支往往是限制VLIW處理器性能發(fā)揮的瓶頸。 EPIC將分支指令拆分成三部分: 計算分支條件 形成分支地址 從分支處和分支失敗處取指令譯碼 各個部件可以重疊執(zhí)行。,理論上講, 讓一組指令完全并行執(zhí)行, 比如:,對分支指令:,一組指令,一組指令,兩個分之方向的指令并行執(zhí)行！,EPIC的關(guān)鍵技術(shù):, 大量的寄存器支持,支持多個分支同時執(zhí)行時, 所需要的大量數(shù)據(jù)和尋址信息。采用EPIC技術(shù)的處理器, 一般其寄存器數(shù)量都在128個以上。, 高性能編譯器 通過“指令斷定” 技術(shù)(判定技術(shù))使多個分支同時執(zhí)行, 由 “指令管道”技術(shù)來實現(xiàn)(多個指令管道),EPIC(Explicity Parallel Instruction Computing) 顯式并行指令計算: 核心思想是“并行處理”,實現(xiàn)方法: 編譯器提前完成代碼排序,以滿足大流量指令和數(shù)據(jù)的要求。, 高速的指令和數(shù)據(jù)預裝技術(shù), 高帶寬的數(shù)據(jù)通路:,以保證大數(shù)據(jù)高速流動。,三、微機領(lǐng)域當前的幾大熱點 1. 處理器及系統(tǒng) (1) 64位處理器, 基于EPIC英特爾IA-64結(jié)構(gòu)(Itanium處理器), AMD X86-64處理器, 雙核2.5 GHz 處理器 存儲空間擴展至8GB 測試表明: 運行速度遠超出3.4 GHz奔騰4系統(tǒng), 64位PowerPC G5 (Apple, 用于個人電腦 ), Power 4和Power 5(IBM, 用于服務(wù)器) Power 6: 主頻達到5.4GHz,64位編程模式和64位API 64位的編譯器,支持大于4GB的物理存儲空間 支持大于4GB規(guī)模的文件 支持多個物理設(shè)備文件(如多個磁盤系統(tǒng)),64位寬度以上的總線 64位Cache、高速圖形板等,應(yīng)用層,操作系統(tǒng)層,機器層,CPU芯片層,64位整數(shù)寄存器 64位浮點寄存器 64位寬度以上的數(shù)據(jù)總線,以64位計算模式為基礎(chǔ), 加上相應(yīng)系統(tǒng)軟件支持,(2) 全64位計算平臺,(3) 多核處理器,也可以說, 多核處理器是傳統(tǒng)多處理器系統(tǒng)的進一步發(fā)展, 也是集成電路技術(shù)發(fā)展的結(jié)果。,多核處理器(CMP) 是將多個計算內(nèi)核集成在一個處理器芯片中。,多核可以分為同構(gòu)多核和異構(gòu)多核兩種:,同構(gòu)多核 ,計算內(nèi)核相同, 地位對等的稱為“同構(gòu)多核”。同構(gòu)CMP大多數(shù)由通用的處理器組成, 多個處理器執(zhí)行相同或者類似的任務(wù)。,異構(gòu)多核,計算內(nèi)核不同, 地位不對等的稱為“異構(gòu)多核”，異構(gòu)多核多采用“主處理核協(xié)處理核”的設(shè)計,如: IBM公司的CELL處理器 AMD公司的Fusion方案 “CPU+GPU”,但是, 存在以下一些觀點:,多核處理器面臨的最大問題是可編程性。一旦核心超過八個, 就需要執(zhí)行程序能夠并行處理。盡管在并行計算上, 人類已經(jīng)探索了超過40年, 但編寫、調(diào)試、優(yōu)化并行處理程序的能力還非常的弱。,出于技術(shù)的挑戰(zhàn),多核強加給了產(chǎn)業(yè),而產(chǎn)業(yè)界并沒準備好?；蛟S十年后,多核就到頭了。一味地增加并行處理核可能是行不通的。并行計算的發(fā)展歷史表明，并行性超過一定程度后，程序就很難寫。,即使能夠不斷增加同類型的CPU內(nèi)核以加強并行處理能力, 但整個系統(tǒng)的處理性能仍然會受到軟件中必須串行執(zhí)行的那部分的制約。,雖然英特爾已研發(fā)并展示了80核處理器原型, 但尷尬的是,目前還沒有能夠利用這一處理器的操作系統(tǒng)。,2. 存儲器, 問題: 揮發(fā)與非揮發(fā)存儲器與速度和容量的矛盾, 發(fā)展的思路: 將非揮發(fā)性、存取速度快、低成本、大容量、低功耗和可無限擦寫等目前所有揮發(fā)性與非揮發(fā)性兩種存儲器的特性(優(yōu)點)集于一身。,揮發(fā)性存儲器: 高速度、小容量、易揮發(fā)。,非揮發(fā)性存儲器: 低速度、大容量、不揮發(fā)。, 幾種典型解決方案 FeRAM存儲器(鐵電存儲器) 利用鐵電薄膜的極化反轉(zhuǎn)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)存/取。,MRAM存儲器 通過控制鐵磁體中的電子旋轉(zhuǎn)方向來實現(xiàn)讀/寫電流的大小, 使其具備二進制數(shù)據(jù)存儲能力。,OUM存儲器 由Intel所提出。以Ge、Sb、Te等化合物為材質(zhì), 利用不同溫度造成材料相位的變化來存儲數(shù)據(jù)。,PCM(基于硫系合金的電熱誘導相變轉(zhuǎn)換) 簡稱相變化存儲器, 是近年來研發(fā)的熱點。 基本原理: 利用某些特殊材料電阻差異存取信息。,3. 64位的操作系統(tǒng), 微軟 Windows Server 2003?？杉嫒軮ntel和AMD的64位處理器, Windows .NET Server,64位操作系統(tǒng)描述:,“以64位CPU芯片為前提, 為充分發(fā)揮該64位CPU芯片的性能而實行64位擴展的操作系統(tǒng)”。, 1996年DEC公司: Digital UNIX 4.0 64位操作系統(tǒng), 以及Open VMS 7.0 64 位操作系統(tǒng)。 SUN公司: 64位的Solaris操作系統(tǒng), Windows7 64位 、Windows XP X64 、Vista,4、正研究中的未來計算機,一般認為, 目前在半導體基片上光刻電子元件的方式會遭遇極限(工藝和熱量)。,從未來計算機的發(fā)展角度看, 科學界看好的未來計算機目前有以下三類:,(1) 生物計算機 通過控制DNA分子間的生化反應(yīng)完成運算。,在DNA計算機中, 信息將以分子代碼的形式排列于DNA上。