毕业论文 Cell体系结构总揽

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1、Cell体系结构总揽摘要：本文分析了Cell结构提出的背景和所解决的问题；详细介绍了Cell内部各单元，并对Cell编程实现作简单介绍。同时对Cell结构的优缺点进行了比较，总体介绍了Cell的应用情况和前景。目录一、引言3二、Cell体系结构提出的背景32.1RISC指令集结构的优点32.2运算单元与存储单元的“距离”4三、Cell内部结构介绍63.1Cell结构总揽63.2IBM公布的性能数据：83.3Power处理单元（PPE）83.4协同处理单元（SPE）93.5SPELocalStores

2、103.6TheEIBandSMF10四、对Cell进行编程114.1Cell程序简介114.2将应用程序移植到Cell12五、Cell体系结构的优缺点分析135.1采用LocalStore而非Cache135.2I/O设备的外移135.3动态功能单元组及资源保护机制145.4采用不带缓存的有序执行15六、Cell的应用目标156.1多个Cell协同处理156.2多媒体、电子游戏166.3军事、医疗176.4从高端到低端的一系列计算系统体系结构17七、结束语17八、参考文献18一、引言由Sony,T

3、oshiba和IBM（简称STI联盟）最初为PlayStation3设计的“Cell处理器”是一个高性能分布式体系结构处理器。Cell包括硬件Cell和软件Cell。硬件Cell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。Cell的每一个核都采用RISC指令集结构，而指令的动态调度，寄存器换名等都由软件实现，从而大大提高了硬件速度。Cell处理器的影响不仅仅局限于游戏市场，

4、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处理器在发展过程中面临许多问题。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Ce

5、ll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介绍了对Cell进行编程的概念；第五部分比较了

6、Cell体系结构与其他体系结构的优缺点；第六部分简要介绍了Cell应用情况。本文的目的在于对于Cell结构有一个总体的介绍，希望能对打算在Cell上进行开发的人员，和对Cell体系结构有兴趣、愿意研究的人们有所帮助。二、Cell体系结构提出的背景2.1RISC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。1．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

7、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，80%的指令只能在20%的运行时间里用到；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。随着指令集系统复杂度的不断提高，指令集系统的实现越来越困难，甚至降低系统的效率。2．RISC的优点针对CISC指令集结构的不足，在20年代

8、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。图2.1在过去近20年RISC性能统计图1．RISC面临的问题上图的发展趋势符合摩尔定律，即在价格不变的情况下，计算机芯片的运算能力每18个月提高1倍。然而当指