RISC型CPU设计1资料.ppt

复习 指令系统结构ISA 影响指令系统结构的因素 工艺、系统结构、操作系统、编译、应用等 指令系统的组成部分 操作、操作数、编码 堆栈型指令、累加器型指令、寄存器型指令 RISC指令系统结构 操作码：常用的十种操作占指令执行的96% 操作数：load-store结构，简单寻址方式用得最多 编码：定长 RISC系统结构的简史 CDC6600=801, MIPS, RISC-2项目 不同RISC结构的比较 MIPS, Solaris, HP-PA, PowerPC 计算机中数的表示 二进制 最容易逻辑实现 自然界中的二值系统较多 “1”和“0”的表示 用电压的高低表示，半导体工艺，CMOS 用磁通量的有无表示，超导体工艺 用能级的高低表示，量子计算机 用基因序列表示，A, G, C, T, DNA计算机，非二进制？ 超导计算---RSFQ技术 (Rapid Single Flux Quantum) 基本原理 超导(4-5K)环中的磁通量具有量子化特性，设计电路使超导环中的磁通量只变化一个磁通量，用磁通量的有无来表示二进制数位的“1” 和 “0”。磁通量的变化由外加电流控制。 SQUID (Superconducting Quantum Interface Device) 量子计算（1） 量子力学特性 量子叠加态(superposed state)：量子器件的信息位称为量子位(qubit)，它可处于叠加态。叠加态可以是 “0” 也可以是 “1”。通过测量或与其他物体发生相互作用可呈现出 “0” 态或 “1” 态。由于每个量子位都可以是 “0” 或 “1”， n 个量子位就可以表示 2n 个 n 位数。常规计算机的一个 n 位存储单元只能存放一个 n 位数，而 n 个量子位可以存放 2n 个 n 位数，可以实现超大容量的存储器。 量子纠缠态(entangled state)??除了叠加态以外，用作运算的多个量子位还应处于纠缠态，即所有量子位的状态紧密相关。当测量某个量子位时，会影响其他量子位的测量结果。 量子并行 (quantum parallelism) ??计算 f(x) 时，可同时计算出 x 的所有值的 f(x)。所以不需要多次循环，也不需要多个处理机并行计算。　 量子计算（2） 应用领域 大数 N 因子分解??令 n = log2N , 经典算法所需步骤为 2n/2 ，Shor 量子并行算法所需步骤为 Poly(n)，Poly(n) 为 n 的多项式。该算法将 NP 问题转换为 P 问题。 搜寻算法?? 在 N 个元素的集合中搜寻某个元素，经典算法搜寻 N/2 次后，找到的概率为 1/2， Grover 量子搜寻算法则只需 N1/2 次，即可达到同样概率。 量子系统模拟??常规计算机不可能有效地模拟量子系统，因为它们的物理机制不同。用常规计算机模拟量子系统，所需的信息量和时间都远大于模拟经典系统。量子计算可用于研究高温高密度等离子体、量子色动力学、晶体固态模型、分子行为的量子模型等。 量子计算（3） 物理实现 量子位的实现??任何两态的量子系统都可作为量子位，如原子的能级、电子或原子核的自旋、光子的正交偏振态等。 量子计算机的实现??有多种可能，包括：核磁共振（用磁场中的原子核自旋作为量子位）、离子阱（用被俘获在线性量子阱中的离子作为量子位）、硅基半导体量子器件（杂质核自旋与电子自旋相互作用）等。 存在问题 量子位的缠结态容易崩溃，位数越多，越难实现。 量子器件之间的连接。 为了维持量子逻辑的一致性，量子系统和环境的隔离。 设备缺陷所引起的逻辑错误。 分子计算机 原理 DNA 计算机利用 DNA 分子保存信息。DNA 分子是由 A, G, C, T 四种核苷酸（碱基）组成的序列。不同的序列可用来表示不同的信息。通过 DNA 分子之间的一系列生化反应来进行运算，可产生表示结果的 DNA 分子。已解决了 7 个城市的旅行售货员等问题。 优点 高度并行??所有 DNA 分子同时运算。 能耗低??半导体计算机的 1010 之一。 存储密度大??磁存储器的 1012 倍。 缺点 生化反应慢、操作有随机性、DNA 分子容易水解、DNA 分子之间难以通信。 定点数的表示（1） 原码： A=an-1 an-2…... a1 a0表示 最高位an-1为符号位，0表示正，1表示负。 其它位an-2…... a1 a0表示数值。 原码的问题：加减法效率低，两个“0” 补码 本质是取模运算，如-2%12=10 最高位an-1为符号位，0表示正，1表示负。 A=an-1 an-2…... a1 a0表示(-2n-1 an-1 + an-2…... a1 a0) an-1==0时，补码和原码一样， A表示正an-2…... a1 a0 。 an-1=