从体系结构演变看高性能微处理器的发展趋势.doc

微处理器体系结构随着高性能计算的需求，计算机体系结构发生了很大变化。作为计算机核心部件的微处理器，其性能和复杂性（晶体管数、时钟频率和峰值）也按照摩尔定律增长。微处理器性能的改善在很大程度上归功于体系结构的发展和VLSI工艺的改进。体系结构的发展主要体现在三个方面，即超流水、多指令发射和多指令操作。超流水技术主要开发时间并行性。流水线技术是RISC处理器区别于CISC处理器的重要特征。采用超流水技术，尽管可以减少关键路径中每级流水的时间，但同时也引入了更多的寄存器，进而增加了面积开销以及时钟歪斜问题。另一方面，深度流水在指令相关和指令跳转时会大大降低流水线的性能。多指令发射和多指令操作均是开发空间并行性。多指令发射面临的首要问题是如何保持应用程序语义的正确性，MIMD、超标量和数据流技术是多指令发射的典型结构。MIMD是并行计算的重要研究领域。超标量采用时序指令流发射技术，兼容性好，硬件开销大，功耗开销大，是目前多数商用高端处理器采用的主流技术。数据流采用token环技术，理论上可以开发出高度指令并行性。然而，其商用开发不成功，原因是运行时间开销大，尤其是token环匹配需要很高的时间代价。多指令操作是当前体系结构的重要研究方向。多指令操作包括数据并行性开发和操作并行性开发。尽管在CISC处理器中均采用过这两种技术，但CISC给体系结构开发带来三个负面影响：一是CISC指令不适合流水处理，二是指令差异很大造成译码困难，三是编译器很难开发出有效的指令操作。与CISC处理器相反，多指令操作非常适合RISC处理器，其中SIMD和VLIW就是数据并行性和操作并行性的典型结构。向量处理器和SIMD处理器都是利用多个操作数来实现数据并行性。但二者有很大不同。向量处理器对线性向量元素顺序操作，SIMD则对向量元素进行并发操作。对前者，每条指令只能作用于一个功能部件，执行时间较长；而后者在执行指令时可以作用于多个功能部件。向量处理器采用交叉存储器实现向量的访存操作，同时可对短向量进行有效操作，即对稀疏向量进行压缩以获得高性能。SIMD适合多媒体中的分组数据流，通过特定算法将长的数据流截成定长短向量序列，从而可以和向量处理器那样实现对定长短向量序列的高效处理。VLIW是实现操作并行性开发的重要途径。CISC处理器采用垂直编码技术，而VLIW则采用水平编码技术，指令中的每个操作域可以并发执行。同CISC处理器相比，VLIW具有的优点是：指令操作域定长，译码简单；适合流水处理，减少CPI；编译器需要开发程序潜在的指令级操作并行性。传统VLIW的不足是指令带宽较高，二进制目标代码不兼容。VLIW和SIMD结构都能接受单一指令流，每条指令可以包含多个操作。但前者允许每条指令包含多个不同类型的操作，同时可以开发细粒度并行性。VLIW指令字较长，而SIMD具有很强的数据压缩能力。事实上，VLIW和SIMD技术相结合可以获得更高的性能加速比，且非常适合多媒体数据处理。从微处理器体系结构和编译器界面划分的角度上讲，指令级体系结构可以分为顺序结构、相关结构和独立结构三类。在顺序结构中，程序不包含任何指令并行信息，完全通过硬件进行调度，即硬件负责操作间的相关分析、独立操作分析和操作调度，编译器只负责程序代码的重组，程序中不附加任何信息。超标量是该类结构的典型代表。在相关结构中，程序显式指定操作的相关信息，即编译器负责操作间的相关分析，而硬件负责独立操作分析和调度，如数据流处理器。独立结构完全由程序提供各个独立操作间的信息，即编译器负责操作间相关性分析、独立操作间分析和指令调度，VLIW是其主要代表。 超标量处理器架构现代超标量处理器体系结构均基于IBM360/91采用的Tomasulo和CDC6600采用的Scoreboard动态调度技术，MIPS R10000和DEC21264微处理器均基于该体系结构。典型超标量处理器通常采用如下逻辑结构实现动态调度：寄存器重命名逻辑、窗口唤醒逻辑、窗口选择逻辑和数据旁路逻辑。Intel的Pentium处理器、Motorola的PowerPC 604和SPARC64则采用基于预约站的超标量体系结构。 两种体系结构的主要区别是：在典型超标量结构中，无论是推测还是非推测寄存器值都放在物理寄存器堆中；在预约站超标量结构中，推测数据放在重排序缓冲器中，非推测数据和已经执行完成提交的数据则放在寄存器文件中。在典型结构中，操作数不广播到窗口，而只将操作数标志TAG进行广播，操作数则送到物理寄存器文件。在预约站结构中，指令执行结果广播到预约站，指令发射时从预约站去取操作数。超标量处理器性能与IPC（Instructions Per Cycle）和时钟频率的乘积成正比。时钟速率同系统结构的关键路径时延