高級計算機系統結構綜述

王子淳

摘 要：計算機體系結構是一門連接硬件與軟件的學科，在不斷的深入研究過程中，一直在追求計算機的功能、性能、功率以及花費的高度協調，以期達到各方面的最佳狀態，在花費、能量、可用性的抑制下，實現計算機的多功能、高性能、低功率、少花費的新時代。本篇綜述主要講述流水線技術，指令系統，以及計算機系統結構的發展趨勢。

關鍵詞：高級計算機系統結構，流水線技術，指令系統

1流水線技術

1.1 流水線的基本概念

計算機系統結構的國際權威美國Stanford大學的John L.Hennessy和UC Berkely大學的 David A.Paterson在其名著《Computer Architecture-- A quantitative approach》一書中特別指出：“流水線過去是，而且將來也很有可能還是提高計算機性能的最有效技術之一”[1]

流水線技術（Pipeline technology）是將一個重復的時序過程分解成為若干個子過程，而每一個子過程都可有效地在其專用功能段上與其他子過程同時執行。流水線中的每個子過程及其功能部件稱為流水線的級或段（pipeline stage），流水線的段數稱為流水線的深度（pipeline depth），段與段相互連接形成流水線。

1.2 流水線的分類

從不同的角度和觀點，可以把流水線分成多種不同的種類：

1.單功能流水線（single-function pipeline）：只能完成一種固定功能的流水線

2.多功能流水線（multi-function pipeline ）：流水線的各段可以進行不同的連接，從而使流水線在不同的時間，或者在同一時間完成不同的功能。

3.靜態流水線（static pipeline）：在同一時間內，流水線的各段只能按同一種功能的連接方式工作。

4.動態流水線（dynamic pipeline）：在同一時間內，當某些段正在實現某種運算時，另一些段卻在實現另一種運算。

5.部件級流水線（component level pipeline）：把處理機的算術邏輯部件分段，以便為各種數據類型進行流水操作。

6.處理機級流水線（processor level pipeline）：把解釋指令的過程按照流水方式處理。

7.處宏流水線（macro pipeline）：由兩個以上的處理機串行地對同一數據流進行處理，每個處理機完成一項任務。

8.標量流水處理機（Scalar pipeline processor）：處理機不具有向量數據表示，僅對標量數據進行流水處理。

9.向量流水處理機（vector pipeline processor）：處理機具有向量數據表示，并通過向量指令對向量的各元素進行處理。

10.線性流水線（linear pipeline）：流水線的各段串行連接，沒有反饋回路。

11.非線性流水線（non-linear pipeline）：流水線中除有串行連接的通路

外，還有反饋回路。

12.順序流水線（order pipeline）：流水線輸出端任務流出的順序與輸入端任務流入的順序完全相同。每一個任務在流水線的各段中是一個跟著一個順序流動的。

13.亂序流水線（out-order pipeline）：流水線輸出端任務流出的順序與輸入端任務流入的順序可以不同，允許后進入流水線的任務先完成（從輸出端流出）。

1.3流水線的相關與沖突

相關（correlation）是指兩條指令之間存在某種依賴關系。如果兩條指令相關，則他們就有可能不能在流水線中重疊執行或者只能部分重疊執行，

1. 結構相關（structure correlation）：當指令在重疊執行過程中，硬件資源滿足不了指令重疊執行的要求，發生資源沖突時將產生“結構相關”；

2. 數據相關（data correlation）：當一條指令需要用到前面指令的執行結果，而這些指令均在流水線中重疊執行時，就可能引起“數據相關”；

3. 控制相關（control correlation）：當流水線遇到分支指令或其他會改變PC值的指令時就會發生“控制相關”。

流水線沖突（pipeline conflict）是指對于具體的流水線來說，由于相關的存在，使得指令流中的下一條指令不能在指定的時鐘周期執行。流水線沖突有三種類型：

1.結構沖突（structure conflict）：因硬件資源滿足不了指令重疊執行的要求而發生的沖突。解決方法：流水化功能單元；資源重復；暫停流水線。

2.數據沖突（data conflict）：當指令在流水線中重疊執行時，因需要用到前面指令的執行結果而發生的沖突。

3.控制沖突（control conflict）：流水線遇到分支指令和其他會改變PC值的指令所引起的沖突。

2.指令系統

2.1 指令系統的基本概念

[2]指令系統（instruction system）是指機器所具有的全部指令的集合 ，它反映了計算機所擁有的基本功能。在計算機系統的設計和使用過程中 ，硬件設計人員采用各種手段實現指令系統 ，而軟件設計人員則使用這些指令系統編制各種各樣的系統軟件和應用軟件 ，用這些軟件來填補硬件的指令系統與人們習慣的使用方式之間的語義差距。計算機指令系統分為兩類：復雜指令系統（CISC）和精簡指令系統（RISC）

2.2 復雜指令系統 （ CISC ）

2.2.1CISC的產生

早期的計算機 ，存儲器是一個很昂貴的資源 ，因此希望指令系統能支持生成最短的程序。此外 ，還希望程序執行時所需訪問的程序和數據位的總數越少越好。在微程序出現后 ，將以前由一串指令所完成的功能移到了微代碼中 ，從而改進了代碼密度。此外 ，它也避免了從主存取指令的較慢動作 ，從而提高執行效率。在微代碼中實現功能的另一論點是： 這些功能能較好的支持編譯程序。如果一條高級語言的語句能被轉換成一條機器語言指令 ，這可使編譯軟件的編寫變得非常容易。此外 ，在機器語言中含有類似高級語言的語句指令 ，便能使機器語言與高級語言的間隙減少。這種發展趨向導致了復雜指令系統 （ CISC ）設計風格的形成 ，即認為計算機性能的提高主要依靠增加指令復雜性及其功能來獲取。

2.2.2 CISC 的主要特點

CISC指令系統的主要特點是：

（1）指令系統復雜，具體表現在以下幾個方面：

①指令數多 ，一般大于 100條。

② 尋址方式多 ，一般大于 4種。

③ 指令格式多 ，一般大于 4種。

（2）絕大多數指令需要多個機器時鐘周期方可執行完畢。

（3）各種指令都可以訪問存儲器。

2.3 精簡指令系統 （RISC）

2.3.1RISC的產生

由于CISC技術在發展中出現了問題 ，計算機系統結構設計的先驅者們嘗試從另一條途徑來支持高級語言及適應 VLSI技術特點。1975年IBM公司 John Cocke提出了精簡指令系統（RISC）的設想。到了1979年，[4]美國UC Berkely大學由 Patterson 教授領導的研究組，首先提出了RISC這一術語 ，并先后研制了 RISC-Ⅰ和 RISC-Ⅱ計算機。1981年美國的Stanford大學在Hennessy教授領導下的研究小組研制了MIPSRISC計算機 ，強調高效的流水和采用編譯方法進行流水調度，使得RISC技術設計風格得到很大補充和發展。到了90年代初，IEEE的Michael Slater 對于RISC的定義作了如下描述：RISC處理器所設計的指令系統應使流水線處理能高效率執行 ，并使優化編譯器能生成優化代碼。

2.3.2 RISC 的主要特點

RISC為使流水線高效率執行 ，應具有下述特征：

（1）簡單而統一格式的指令譯碼；

（2）大部分指令可以單周期執行完成；

（3）只有 LOAD 和 STORE 指令可以訪問存儲器；

（4）簡單的尋址方式 ；

（5）采用延遲轉移技術 ；

（6）采用 LOAD 延遲技術。

RISC為使優化編譯器便于生成優化代碼 ，應具有下述特征：

（1）三地址指令格式 ；

（2）較多的寄存器 ；

（3）對稱的指令格式。

2.4 RISC和CISC 的比較

2.4.1不同的實現方式

兩者的實現方式是不一樣的。對于CISC來說，采用的存儲結構是比較易于實現的數據和指令合一的方式。采用這種存儲結構的原因是CISC具有比較高級的指令語義，同時具有比較長的執行指令的周期。而對于RISC來說，其采用的存儲結構是數據和指令相互分離的結構，這是因為其采取了邏輯的硬布線方式，同時對于指令的讀取比較頻繁。

2.4.2不同的編譯器要求

如果時鐘頻率相同，同時失去編譯器，那么RISC與CISC的體系結構的計算機的效率其實并沒有差別。而且相對來說，RISC體系結構更加需要編譯器對指令的優化。CISC具有很大的市場，同時技術的發展也已經相當成熟。RISC體系結構并不能夠直接取代CISC的體系結構。固然，RISC體系結構具有很強的競爭力，但是其邏輯硬布線到目前為止并沒有統一的規定。RISC也并不是傳統意義上的概念，現代的RISC也具有很多明顯的變化，主要表現在：具有分支預測的功能、能夠超標量執行，同時還能夠亂序執行指令。

3.計算機系統結構的發展趨勢

3.1多線程體系

所謂的多線程技術（multithreading technology）[5]，是一種結合了馮諾依曼的控制流模型以及數據流模型的新興技術。它能夠進行現場的指令級交換以及順序調度。一般說來，在線程中，如果其中一條指令執行，那么相應后面的指令都會相繼執行。線程可以成為計算機中調度執行的基本步驟，同時計算機中可以同時并發運行許多個線程。這樣做的好處是：提高了并行度的效果，同時又能相互隱藏延遲的操作。多線程有著許多優點，同時也有一些不足之處。它的優點是能夠在很大程度上提高整個處理器的利用效率，在整體上使計算機的性能提高到一個新的檔次。多線程技術能很好地隱藏幾乎所有的延遲，這是諸如分支預測錯誤延遲技術等其它技術所不具備的。因此，多線程技術能夠在計算機微處理器的結構中具有很高的應用價值。

3.2 高性能計算

[6]高性能計算（high performance computer，HPC）是計算機集群系統，它通過各種互聯技術將多個計算機系統連接在一起，利用所有被連接系統的綜合計算能力來處理大型計算問題。高性能計算方法的基本原理就是將問題分為若干部分，而相連的每臺計算機均可同時參與問題的解決，從而顯著縮短了解決整個問題的計算時間。解決大型計算問題需要功能強大的計算機系統，隨著高性能計算的出現，使這一類應用從昂貴的大型外部計算機系統演變為采用商用服務器產品和軟件的高性能計算機集群體。因此，高性能計算系統已經成為解決大型問題計算機系統的發展方向。其中，混合體系統結構已成為HPC發展趨勢。

4.結束語

目前計算機的發展十分迅速，已經在各個方面徹底改變了現代人們的生活方式和工作方式，人們的溝通以及工作的效率得到了很大程度上的提高。本論文簡要介紹了計算機流水線技術，指令系統 ，然后提出了兩種指令系統（RISC和CISC）并對比了兩種不同的體系結構，比較了這兩種體系結構中存在的問題，進而提出計算機體系結構的發展趨勢。

參考文獻：

[1] 鄭煒民 湯志忠等譯John L.Hennessy， David A.Paterson 計算機系統結構：一種定量方法（第二版）[M] 北京：清華大學出版社，2002

[2] 談懷江 計算機指令系統的變化及發展 孝感學院計算機科學系 [J]，2014

[3] 李成錚，魏立津 計算機體系結構的發展及技術問題探討 華中科技大學文華學院 [J]，2008

[4] 劉超.計算機系統結構.[M]中國水利水電出版社，2005.

[5] 吳艷霞.計算機體系結構.[M]北京：清華大學出版社，2010.

[6] 張春元，羅莉等.計算機系統結構.[M]國防科技大學出版社，2002.