Cell体系结构总揽【荐】.docVIP

Cell体系结构总揽 一、引 言 由Sony, Toshiba和IBM（简称STI联盟）最初为PlayStation 3设计的“Cell处理器”是一个高性能分布式体系结构Cell包括硬件Cell和软件CellCell采用多核技术，主要由一个PPE和8个SPE通过EIB总线联结构成，各个单元协作且并行地处理计算机任务；软件Cell包括数据和程序，它们被送往硬件Cell进行计算并返回结果。CellCell处理器的影响不仅仅局限于游戏市场，而将遍布整个计算机工业界。Cell在图形领域的优势是明显的：3D图形所具有的巨大并行性以及可向量化和流水化处理的特征，而Cell中的多个SPE能对其进行大幅度加速；而数字信号处理中主要使用的FFT（快速傅立叶变换）算法也是一个高度可向量化的算法，Cell的向量化与高并行性将使Cell处理器成功地运用于DSP领域；除此之外，Cell处理器可有效运用于超级计算，服务器，流处理应用等多个领域。 然而，Cell处理器与有限主存的速度及性能之间的差距越来越大，主存成为Cell体系结构计算机整体性能提高的瓶颈；Cell采用RISC指令集结构，虽然提高硬件执行效率，但增加了编译器的负担；Cell处理机中多核的功耗和散热量也是Cell体系结构发展的一个制约因素；目前基于Cell体系结构的程序开发工具很少，Cell体系结构计算机对程序并发性和可向量化要求很高，程序难于编写，程序的可移值性和兼容性也存在问题。 本文第二部分分析了Cell体系结构从技术上产生的背景；接着第三部分介绍了Cell处理器内部各个部件的结构，在此基础上第四部分比较了Cell体系结构与其他体系结构的优缺点；第五部分简要介绍了Cell应用情况。 二、Cell体系结构提出的背景 2.1 RISC指令集结构的优点 Cell处理器中PPE和SPE都采用RISC指令集结构，下面从CISC的不足，针对CISC不足进行改进的RISC的优点以及RISC面临的问题三方面进行分析。 CISC的不足 复杂指令集计算机强化指令功能，实现软件功能向硬件功能转移，减少指令条数来提高计算机性能。然而这一设计将使得指令的使用频率相差悬殊，指令没有得到充分利用；指令集本身的复杂性也带来了计算机体系结构的复杂性，这不仅增加了研制时间和成本，也容易造成设计失误。指令集中各条指令功能不均衡，执行时间不同，不利于采用计算机体系结构的相关技术来提高性能，许多指令需要复杂的操作，因而运行速度慢。 RISC的优点 针对CISC指令集结构的不足，在20年代80年代RISC指令集结构发展了起来。RISC指令集结构采用定量化设计计算机体系结构的方法，选取使用频率最高和最有用的指令，使每条指令的功能尽可能简单，并在一个机器周期内完成，指令长度均相同，只有Load指令和Store指令访问存储器，其他指令均在寄存器之间进行，以简单有效的方式支持高级语言，大大提高系统性能。 RISC面临的问题 当指令集精简和高效到达一定程度之后，系统性能的提高将面临瓶颈，只靠改进指令集的设计来提高计算机性能的作用将越来越小；当时钟频率提高到一定程度后，成倍的并不会给厂商们带来相应的功耗和散热Transmeta公司曾经设计过一款名为VLIW Crusoe的芯片。该款芯片的设计理念是尽可能的简化芯片的构造，把复杂的事情交给软件去做，从而提高硬件的运行速度。然而，这种设想没有得到成功。原因在于，把处理器的复杂性转移到软件上，意味着把复杂性放到了主存里。这样，就在CPU和主存间的鸿沟进一步扩大，增加了延时。 CPU发展有三个阶段。第一个,指令被静态调度,没有Instruction Window）; 第二个,处理单元的数目得到提高(比如有多个整数和浮点运算单元等)。Cache的大小也得到增加,因而有更多的指令和数据可以存在Cache中。此时,引入。指令得以在中被重新调度,再输出给不同的处理单元并行处理;第三个,处理单元的数量也得到了一定增加(比如加入向量处理单元)流水线深度增加导致了在每个时钟周期,有更多的执行空间(execution slots)需要填补;也就是说需要找到更多的,可以并行执行的指令。因而里的工作量就增加了很多。 从发展的趋势来看。运算单元的增加,会导致储存单元与运算单元的距离越来越远。从大的方面来看,CPU数量的增加,会导致主存与CPU之间的距离的增加;从小的方面来看,CPU中处理单元的增加,会使Cache与处理单元间(ALU等)的距离越来越远。这里,更远的距离,意味着更大的延迟。Cell体系结构较之Crusoe芯片能够成功的关键在于Cell体系结构重新运用了RISC的思想，采用了多核技术以及Local store技术，扔掉了contro