王子淳

摘 要：計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)是一門連接硬件與軟件的學(xué)科，在不斷的深入研究過程中，一直在追求計(jì)算機(jī)的功能、性能、功率以及花費(fèi)的高度協(xié)調(diào)，以期達(dá)到各方面的最佳狀態(tài)，在花費(fèi)、能量、可用性的抑制下，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的多功能、高性能、低功率、少花費(fèi)的新時(shí)代。本篇綜述主要講述流水線技術(shù)，指令系統(tǒng)，以及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：高級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，流水線技術(shù)，指令系統(tǒng)

1流水線技術(shù)

1.1 流水線的基本概念

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的國際權(quán)威美國Stanford大學(xué)的John L.Hennessy和UC Berkely大學(xué)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(jì)算機(jī)性能的最有效技術(shù)之一”[1]

流水線技術(shù)（Pipeline technology）是將一個(gè)重復(fù)的時(shí)序過程分解成為若干個(gè)子過程，而每一個(gè)子過程都可有效地在其專用功能段上與其他子過程同時(shí)執(zhí)行。流水線中的每個(gè)子過程及其功能部件稱為流水線的級(jí)或段（pipeline stage），流水線的段數(shù)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(diǎn)，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(jìn)行不同的連接，從而使流水線在不同的時(shí)間，或者在同一時(shí)間完成不同的功能。

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

4.動(dòng)態(tài)流水線（dynamic pipeline）：在同一時(shí)間內(nèi)，當(dāng)某些段正在實(shí)現(xiàn)某種運(yùn)算時(shí)，另一些段卻在實(shí)現(xiàn)另一種運(yùn)算。

5.部件級(jí)流水線（component level pipeline）：把處理機(jī)的算術(shù)邏輯部件分段，以便為各種數(shù)據(jù)類型進(jìn)行流水操作。

6.處理機(jī)級(jí)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(gè)以上的處理機(jī)串行地對(duì)同一數(shù)據(jù)流進(jìn)行處理，每個(gè)處理機(jī)完成一項(xiàng)任務(wù)。

8.標(biāo)量流水處理機(jī)（Scalar pipeline processor）：處理機(jī)不具有向量數(shù)據(jù)表示，僅對(duì)標(biāo)量數(shù)據(jù)進(jìn)行流水處理。

9.向量流水處理機(jī)（vector pipeline processor）：處理機(jī)具有向量數(shù)據(jù)表示，并通過向量指令對(duì)向量的各元素進(jìn)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(wù)流出的順序與輸入端任務(wù)流入的順序完全相同。每一個(gè)任務(wù)在流水線的各段中是一個(gè)跟著一個(gè)順序流動(dòng)的。

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

1.3流水線的相關(guān)與沖突

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

1. 結(jié)構(gòu)相關(guān)（structure correlation）：當(dāng)指令在重疊執(zhí)行過程中，硬件資源滿足不了指令重疊執(zhí)行的要求，發(fā)生資源沖突時(shí)將產(chǎn)生“結(jié)構(gòu)相關(guān)”；

2. 數(shù)據(jù)相關(guān)（data correlation）：當(dāng)一條指令需要用到前面指令的執(zhí)行結(jié)果，而這些指令均在流水線中重疊執(zhí)行時(shí)，就可能引起“數(shù)據(jù)相關(guān)”；

3. 控制相關(guān)（control correlation）：當(dāng)流水線遇到分支指令或其他會(huì)改變PC值的指令時(shí)就會(huì)發(fā)生“控制相關(guān)”。

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

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

2.數(shù)據(jù)沖突（data conflict）：當(dāng)指令在流水線中重疊執(zhí)行時(shí)，因需要用到前面指令的執(zhí)行結(jié)果而發(fā)生的沖突。

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

2.指令系統(tǒng)

2.1 指令系統(tǒng)的基本概念

[2]指令系統(tǒng)（instruction system）是指機(jī)器所具有的全部指令的集合 ，它反映了計(jì)算機(jī)所擁有的基本功能。在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和使用過程中 ，硬件設(shè)計(jì)人員采用各種手段實(shí)現(xiàn)指令系統(tǒng) ，而軟件設(shè)計(jì)人員則使用這些指令系統(tǒng)編制各種各樣的系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件 ，用這些軟件來填補(bǔ)硬件的指令系統(tǒng)與人們習(xí)慣的使用方式之間的語義差距。計(jì)算機(jī)指令系統(tǒng)分為兩類：復(fù)雜指令系統(tǒng)（CISC）和精簡指令系統(tǒng)（RISC）

2.2 復(fù)雜指令系統(tǒng) （ CISC ）

2.2.1CISC的產(chǎn)生

早期的計(jì)算機(jī) ，存儲(chǔ)器是一個(gè)很昂貴的資源 ，因此希望指令系統(tǒng)能支持生成最短的程序。此外 ，還希望程序執(zhí)行時(shí)所需訪問的程序和數(shù)據(jù)位的總數(shù)越少越好。在微程序出現(xiàn)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(jìn)了代碼密度。此外 ，它也避免了從主存取指令的較慢動(dòng)作 ，從而提高執(zhí)行效率。在微代碼中實(shí)現(xiàn)功能的另一論點(diǎn)是： 這些功能能較好的支持編譯程序。如果一條高級(jí)語言的語句能被轉(zhuǎn)換成一條機(jī)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(jī)器語言中含有類似高級(jí)語言的語句指令 ，便能使機(jī)器語言與高級(jí)語言的間隙減少。這種發(fā)展趨向?qū)е铝藦?fù)雜指令系統(tǒng) （ CISC ）設(shè)計(jì)風(fēng)格的形成 ，即認(rèn)為計(jì)算機(jī)性能的提高主要依靠增加指令復(fù)雜性及其功能來獲取。

2.2.2 CISC 的主要特點(diǎn)

CISC指令系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是：

（1）指令系統(tǒng)復(fù)雜，具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

①指令數(shù)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(shù)指令需要多個(gè)機(jī)器時(shí)鐘周期方可執(zhí)行完畢。

（3）各種指令都可以訪問存儲(chǔ)器。

2.3 精簡指令系統(tǒng) （RISC）

2.3.1RISC的產(chǎn)生

由于CISC技術(shù)在發(fā)展中出現(xiàn)了問題 ，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的先驅(qū)者們嘗試從另一條途徑來支持高級(jí)語言及適應(yīng) VLSI技術(shù)特點(diǎn)。1975年IBM公司 John Cocke提出了精簡指令系統(tǒng)（RISC）的設(shè)想。到了1979年，[4]美國UC Berkely大學(xué)由 Patterson 教授領(lǐng)導(dǎo)的研究組，首先提出了RISC這一術(shù)語 ，并先后研制了 RISC-Ⅰ和 RISC-Ⅱ計(jì)算機(jī)。1981年美國的Stanford大學(xué)在Hennessy教授領(lǐng)導(dǎo)下的研究小組研制了MIPSRISC計(jì)算機(jī) ，強(qiáng)調(diào)高效的流水和采用編譯方法進(jìn)行流水調(diào)度，使得RISC技術(shù)設(shè)計(jì)風(fēng)格得到很大補(bǔ)充和發(fā)展。到了90年代初，IEEE的Michael Slater 對(duì)于RISC的定義作了如下描述：RISC處理器所設(shè)計(jì)的指令系統(tǒng)應(yīng)使流水線處理能高效率執(zhí)行 ，并使優(yōu)化編譯器能生成優(yōu)化代碼。

2.3.2 RISC 的主要特點(diǎn)

RISC為使流水線高效率執(zhí)行 ，應(yīng)具有下述特征：

（1）簡單而統(tǒng)一格式的指令譯碼；

（2）大部分指令可以單周期執(zhí)行完成；

（3）只有 LOAD 和 STORE 指令可以訪問存儲(chǔ)器；

（4）簡單的尋址方式 ；

（5）采用延遲轉(zhuǎn)移技術(shù) ；

（6）采用 LOAD 延遲技術(shù)。

RISC為使優(yōu)化編譯器便于生成優(yōu)化代碼 ，應(yīng)具有下述特征：

（1）三地址指令格式 ；

（2）較多的寄存器 ；

（3）對(duì)稱的指令格式。

2.4 RISC和CISC 的比較

2.4.1不同的實(shí)現(xiàn)方式

兩者的實(shí)現(xiàn)方式是不一樣的。對(duì)于CISC來說，采用的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)是比較易于實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)和指令合一的方式。采用這種存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的原因是CISC具有比較高級(jí)的指令語義，同時(shí)具有比較長的執(zhí)行指令的周期。而對(duì)于RISC來說，其采用的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)是數(shù)據(jù)和指令相互分離的結(jié)構(gòu)，這是因?yàn)槠洳扇×诉壿嫷挠膊季€方式，同時(shí)對(duì)于指令的讀取比較頻繁。

2.4.2不同的編譯器要求

如果時(shí)鐘頻率相同，同時(shí)失去編譯器，那么RISC與CISC的體系結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)的效率其實(shí)并沒有差別。而且相對(duì)來說，RISC體系結(jié)構(gòu)更加需要編譯器對(duì)指令的優(yōu)化。CISC具有很大的市場，同時(shí)技術(shù)的發(fā)展也已經(jīng)相當(dāng)成熟。RISC體系結(jié)構(gòu)并不能夠直接取代CISC的體系結(jié)構(gòu)。固然，RISC體系結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的競爭力，但是其邏輯硬布線到目前為止并沒有統(tǒng)一的規(guī)定。RISC也并不是傳統(tǒng)意義上的概念，現(xiàn)代的RISC也具有很多明顯的變化，主要表現(xiàn)在：具有分支預(yù)測的功能、能夠超標(biāo)量執(zhí)行，同時(shí)還能夠亂序執(zhí)行指令。

3.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢

3.1多線程體系

所謂的多線程技術(shù)（multithreading technology）[5]，是一種結(jié)合了馮諾依曼的控制流模型以及數(shù)據(jù)流模型的新興技術(shù)。它能夠進(jìn)行現(xiàn)場的指令級(jí)交換以及順序調(diào)度。一般說來，在線程中，如果其中一條指令執(zhí)行，那么相應(yīng)后面的指令都會(huì)相繼執(zhí)行。線程可以成為計(jì)算機(jī)中調(diào)度執(zhí)行的基本步驟，同時(shí)計(jì)算機(jī)中可以同時(shí)并發(fā)運(yùn)行許多個(gè)線程。這樣做的好處是：提高了并行度的效果，同時(shí)又能相互隱藏延遲的操作。多線程有著許多優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也有一些不足之處。它的優(yōu)點(diǎn)是能夠在很大程度上提高整個(gè)處理器的利用效率，在整體上使計(jì)算機(jī)的性能提高到一個(gè)新的檔次。多線程技術(shù)能很好地隱藏幾乎所有的延遲，這是諸如分支預(yù)測錯(cuò)誤延遲技術(shù)等其它技術(shù)所不具備的。因此，多線程技術(shù)能夠在計(jì)算機(jī)微處理器的結(jié)構(gòu)中具有很高的應(yīng)用價(jià)值。

3.2 高性能計(jì)算

[6]高性能計(jì)算（high performance computer，HPC）是計(jì)算機(jī)集群系統(tǒng)，它通過各種互聯(lián)技術(shù)將多個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)連接在一起，利用所有被連接系統(tǒng)的綜合計(jì)算能力來處理大型計(jì)算問題。高性能計(jì)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(tái)計(jì)算機(jī)均可同時(shí)參與問題的解決，從而顯著縮短了解決整個(gè)問題的計(jì)算時(shí)間。解決大型計(jì)算問題需要功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，隨著高性能計(jì)算的出現(xiàn)，使這一類應(yīng)用從昂貴的大型外部計(jì)算機(jī)系統(tǒng)演變?yōu)椴捎蒙逃梅?wù)器產(chǎn)品和軟件的高性能計(jì)算機(jī)集群體。因此，高性能計(jì)算系統(tǒng)已經(jīng)成為解決大型問題計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展方向。其中，混合體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)已成為HPC發(fā)展趨勢。

4.結(jié)束語

目前計(jì)算機(jī)的發(fā)展十分迅速，已經(jīng)在各個(gè)方面徹底改變了現(xiàn)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(jì)算機(jī)流水線技術(shù)，指令系統(tǒng) ，然后提出了兩種指令系統(tǒng)（RISC和CISC）并對(duì)比了兩種不同的體系結(jié)構(gòu)，比較了這兩種體系結(jié)構(gòu)中存在的問題，進(jìn)而提出計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢。

參考文獻(xiàn)：

[1] 鄭煒民 湯志忠等譯John L.Hennessy， David A.Paterson 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：一種定量方法（第二版）[M] 北京：清華大學(xué)出版社，2002

[2] 談懷江 計(jì)算機(jī)指令系統(tǒng)的變化及發(fā)展 孝感學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)系 [J]，2014

[3] 李成錚，魏立津 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展及技術(shù)問題探討 華中科技大學(xué)文華學(xué)院 [J]，2008

[4] 劉超.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu).[M]中國水利水電出版社，2005.

[5] 吳艷霞.計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu).[M]北京：清華大學(xué)出版社，2010.

[6] 張春元，羅莉等.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu).[M]國防科技大學(xué)出版社，2002.