处理器设计ppt课件.ppt

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1、RISC处理器设计8/4/20211一个重要里程碑1979年美国加州大学伯克利分校的帕特逊等人提出精简指令集计算机（RISC—ReducedInstructionSetComputer）结构它是相对于传统的复杂指令集计算机（CISC—ComplexInstructionSetComputer）结构而言的。8/4/20212设计思想-20％―80%定律CISC计算机的指令系统引入了各种各样的复杂指令，使得要实现这些指令系统的计算机系统结构越来越复杂。经过大量的研究和分析。发现在CISC指令系统中，各指令的使用

2、频度相差悬殊。大概有20％的指令反复被使用，使用量占整个程序的80％；而有80％左右的指令是很少使用，其使用量占整个程序的20％。8/4/20213设计思想-软、硬件设计折衷由于VLSI的迅速发展，对系统设计中硬件与软件的复杂性之间应该如何优化划分进在行了深入的研究。要保持一个系统具有较高的性能价格比，单靠增加硬件的复杂性是不行的，必须把硬件和软件结合起来相互配合，均衡考虑，才能提高性能价格比。8/4/20214设计思想-VLSI的发展VLSI工艺的突飞猛进的发展，使得在一块芯片上能方便地做大量的寄存器，促

3、使系统设计者能使用较快的寄存器―寄存器指令，这样指令系统就可以更加精简，控制部件更加简化，整个系统效率更高。8/4/20215关于CPI的讨论CPI（CyclePerInstruction）是衡量一条指令执行的平均周期数。RISC结构的设计思想就是要使CPI进一步减少，CPI≤1。它的一般公式P=I*C*T其中：P是执行一个程序所花费的时间；I是这个程序所需执行的总指令数；C是每条指令执行的平均周期数，即CPI；T是周期。8/4/20216对RISC和CISC的I、C、T比较（1）I值。对同一个程序编译后生

4、成的执行代码，RISC的I要比CISC的多。因为CISC的一条复杂指令可以抵上好多条RISC的精简指令，但是根据20％―80％定律简单指令使用的多，RISC的I值是CISC的I值的1.3～1.4倍。（2）C值。CISC的指令实现往往是几个周期完成的，因此CISC的C值是4～6甚至更高。而RISC的指令基本上是在单个周期完成的，即使把访内指令也计入，C值是1.1～1.4。（3）T值。机器周期与主频有关，一般RISC结构简单，机器周期比CISC结构的机器周期略短。8/4/20217CPI举例假设在一台40MHz

5、处理机上运行200000条指令的目标代码,程序主要由四种指令组成。根据程序跟踪实验结果,已知指令混和比和每种指令所需的指令周期数如下:指令类型CPI指令混合比算术和逻辑160%cache的加载存储218%转移412%cache缺失的访存810%(a)计算在单处理机上用上述跟踪数据运行的平均CPI(b)据(a)所得CPI,计算相应的MIPS速率8/4/20218CPI举例-解答解:a)平均CPI=60%*1+18%*2+12%*4+10%*8=2.24(时钟周期）(b)相应的MIPS速率=f/(CPI*106

6、)=(40*106)/(2.24*106)=17.86(MIPS)8/4/20219RISC技术的特点1、指令功能与指令执行周期数的权衡2、引入多级指令Cache3、面向存储器堆的结构4、充分提高流水线的效率5、指令格式的简单化和规整化6、RISC技术中的编译技术不仅要生成代码，而且要优化代码8/4/202110RISC中的流水线超级流水线方式：将原来的流水线进一步细化，达到缩短各级执行时间的目的。如一般RISC结构的流水线是4～5级，而超级流水线则是8级以上。（时间重迭）超级标量方式：在机器里设有多条流水

7、线，同时执行多个处理。它的处理是找出能够并行译码的指令，并在指令执行阶段动态执行调度。（时间重迭+资源重复）超长指令字（VLIW）方式：它与超级标量方式类似，也有多条流水线能并行地处理多条指令。它是在编译阶段进行程序调度的。因此一条指令可以指定多个处理，具有指定处理的多个字段。（时间重迭+资源重复8/4/202111单发射/多发射结构在取指阶段，一次能取k=n条指令。其中n=1,2,…,n当n=1时，称单发射结构当n1时，称多发射结构8/4/202112当n=3举例超标量流水线结构是在一个周期内同时发出三

8、条指令，它具有多个执行部件，所以在执行流水级中，三条指令分发到三个独立的执行部件去分别执行。超流水线结构是把每一个流水级（一个周期）分成三个子流水级，而每一个子流水级中取出的仍只有一个指令。但在一个周期内仍是取出了三条指令。超流水线结构的执行部件可以只有一套，也可以有多套独立的执行部件（此时就是时间重迭+资源重复了）。8/4/202113VLIW流水线结构VLIW提出了很有启发性的新设计思想。在IF流水级，它取出