RISC处理器设计
RISC处理器设计
RISC系统结构 本思想:简单结构的高效实现 体:指令系统结杉 操作:简单 数据:Load- Store结构,寻址方式简单 编码:定长 ■相:实现与使用方式 ■简化硬件,提高主频 ■指令流水线技术:寄存器操作容易解决相关 编译技术 用:性能及兼容性 ■性能:每条指令周期数差不多,主频高,CPI高
RISC系统结构 基本思想：简单结构的高效实现 ◼ 体：指令系统结构 ◼ 操作：简单 ◼ 数据：Load-Store结构，寻址方式简单 ◼ 编码：定长 ◼ 相：实现与使用方式 ◼ 简化硬件，提高主频 ◼ 指令流水线技术：寄存器操作容易解决相关 ◼ 编译技术 ◼ 用：性能及兼容性 ◼ 性能：每条指令周期数差不多，主频高，CPI高 流水及多发射技术在提高性能的前提下不影响兼
指令系统结构
指令系统结构
指令系统的设计原则 指令系统在计算机中的位置 ■硬件和软件的界面 ■设计要求 ■兼容性:在很长时间内保持不变 通用性:适合于各种应用 方便:编译器或程序员觉得好用,有较多功 能 高效:便于CPU设计的优化,不同的实现方 法得到不同的性能
指令系统的设计原则 ◼ 指令系统在计算机中的位置 ◼ 硬件和软件的界面 ◼ 设计要求 ◼ 兼容性：在很长时间内保持不变 ◼ 通用性：适合于各种应用 ◼ 方便：编译器或程序员觉得好用，有较多功 能 ◼ 高效：便于CPU设计的优化，不同的实现方 法得到不同的性能
指令系统与系统结构 50-60年代 Computer architecture=Computer Arithmetic 70-80年代 Computer Architecture=Instruction Set Design 90年代以后 Computer architecture=Design of CPU, Memory System I/0 System, Multiprocessors
指令系统与系统结构 ◼ 50-60年代 ◼ Computer Architecture=Computer Arithmetic ◼ 70-80年代 ◼ Computer Architecture=Instruction Set Design ◼ 90年代以后 ◼ Computer Architecture=Design of CPU, Memory System, I/O System, Multiprocessors ◼ Searching the space of possible designs at
影响指令系统设计的因素 工艺技术 早期的硬件昂贵,简化硬件是指令系统设计的 主要因素 ■如何发挥存储层次的效率,如何利用芯片面积 ■系统结构 ■增加指令功能还是提高主频? 并行性:SIMD、向量、多发射(兼容性好) PIM ■操作系统 ■多进程支持、虚地址空间等 编译技术与程序设计语言 指令的表达能力
影响指令系统设计的因素 ◼ 工艺技术 ◼ 早期的硬件昂贵，简化硬件是指令系统设计的 主要因素 ◼ 如何发挥存储层次的效率，如何利用芯片面积 ◼ 系统结构 ◼ 增加指令功能还是提高主频？ ◼ 并行性：SIMD、向量、多发射（兼容性好）、 PIM ◼ 操作系统 ◼ 多进程支持、虚地址空间等 ◼ 编译技术与程序设计语言 ◼ 指令的表达能力 应用程序
工艺技术的发展(1) 工艺技术是处理器技术发展的源动力 集成度及CP主频提高快,访存延迟提高慢 1990年:33 MHz Intel386,80ns访存延迟 1996年:266 MHz Intel pil160ns访存延迟 上述趋势影响系统结构研究的内容 并行技术:流水线、多处理器、磁盘阵歹 ■存储层次 集成度 延迟 逻辑电路2倍3年2倍3年 存储器4倍3年2倍10年 磁盘 4倍3年2倍10年
工艺技术的发展（1） ◼ 工艺技术是处理器技术发展的源动力 ◼ 集成度及CPU主频提高快，访存延迟提高慢 ◼ 1990年： 33MHz Intel 386, 80ns访存延迟 ◼ 1996年：266MHz Intel PII, 60ns访存延迟 ◼ 上述趋势影响系统结构研究的内容 ◼ 并行技术：流水线、多处理器、磁盘阵列 ◼ 存储层次 ◼ 网络 集成度 延迟 逻辑电路 2 倍/3 年 2 倍/3 年 存储器 4 倍/3 年 2 倍/10 年 磁盘 4 倍/3 年 2 倍/10 年
工艺技术的发展(2) Moore定律 Inte的创始人之一 Gordon moore在1971年 预言每18个月芯片集成度增加一倍。 30年来这个预言基本正确,普遍认为这个定 律可以适用到2010年 2002年达到每个芯片100,000,000个晶体管 2910年达到每个芯片1,000,000,000个晶体 这么多晶体管用来做什么?=>系统结构的 研究
工艺技术的发展（2） ◼ Moore定律 ◼ Intel的创始人之一Gordon Moore在1971年 预言每18个月芯片集成度增加一倍。 ◼ 30年来这个预言基本正确，普遍认为这个定 律可以适用到2010年 ◼ 2002年达到每个芯片100,000,000个晶体管 ◼ 2910年达到每个芯片1,000,000,000个晶体 管 ◼ 这么多晶体管用来做什么？=>系统结构的 研究
工艺技术的发展(3) Moore定律:处理器集成度提高 100000000 “ Graduation window 10000000 Alpha 21264: 15 million Moore’sLaw Pentium Pro: 5.5 million PowerPC 620: 6.9 million 1000000 x°#0486 Alpha 21164: 9.3 million 8386 Sparc Ultra: 5.2 million 100000 j60286 CMOS improvements 8086 Die size: 2X every 3 yrs 10000 808 Line width: halve/7 yrs 道i4004 1000 1970197519801985199019952000
工艺技术的发展（3） ◼ Moore定律：处理器集成度提高
工艺技术的发展(4) Moore定律:存储器集成度的提高 1000000000 100000000 year size(Mb) cyc time 10000000 1980 0.0625250ns 1000000 1983 0.25 220ns 1986 190ns 100000 1989 4 165ns 10000 1992 16 145ns 1996 120ns 1000 19701975198019851990199520600 256 100ns Year
工艺技术的发展（4） ◼ Moore定律：存储器集成度的提高