《计算机组成原理》6-CPU设计

《计算机组成原理》6-CPU设计

CPU设计基本概念及发展历程01CPU是计算机的核心部件负责执行指令处理数据控制其他硬件设备CPU设计包括功能设计、架构设计、指令集设计、流水线设计、多核设计与调度、缓存设计和功耗与热设计等方面功能设计：确定CPU的功能需求架构设计：设计CPU的结构和组成指令集设计：设计CPU支持的指令集流水线设计：提高CPU的执行效率多核设计与调度：实现多核CPU的高效运行缓存设计：提高CPU的访问速度功耗与热设计：降低CPU的功耗和温度CPU设计的目的是提高性能、降低成本和功耗性能：提高CPU的执行速度和处理能力成本：降低CPU的生产成本和研发成本功耗：降低CPU的功耗，提高能源利用效率CPU设计的基本概念CPU设计的发展历程第一代CPU（1971年-1978年）4位、8位处理器，如Intel4004、Intel8086采用集中式架构，指令集简单，性能较低第二代CPU（1978年-1985年）16位处理器，如Intel8086、Motorola68000采用微程序控制，指令集丰富，性能提高第三代CPU（1985年-1995年）32位处理器，如Intel80386、ARMCortex-M3采用硬连线控制，流水线技术，性能进一步提高第四代CPU（1995年-至今）64位处理器，如IntelCorei7、ARMCortex-A53多核处理器，支持超线程技术，性能大幅提升采用高级缓存技术，降低功耗和提高性能CPU设计的未来趋势更高性能提高时钟频率增加核心数量优化架构和流水线设计更低功耗采用低功耗工艺优化功耗管理技术提高能效比更强可扩展性支持多线程和分布式计算支持虚拟化和容器技术支持异构计算和加速器集成更智能引入人工智能和机器学习技术实现自适应计算和智能调度提高用户体验和系统性能CPU功能与架构分析02执行算术和逻辑运算处理整数和浮点数支持多媒体和数据压缩数据处理解释和执行指令控制程序流程和分支处理异常和中断控制指令执行与其他硬件设备通信控制内存和输入输出设备支持操作系统和应用程序系统协调与控制CPU的功能架构类型集中式架构：指令和数据存储在同一存储器中分布式架构：指令和数据存储在不同的存储器中混合架构：结合集中式和分布式架构的特点01指令执行单元算术逻辑单元（ALU）：执行算术和逻辑运算寄存器文件：存储操作数和结果控制单元（CU）：解释和执行指令02流水线设计单流水线：指令执行顺序进行多流水线：多条指令同时执行动态流水线：根据指令需求调整流水线阶段03CPU的架构CPU性能的评估方法指令执行速度时钟频率：单位时间内执行的指令数指令周期：执行一条指令所需的时间流水线级数：流水线中的阶段数吞吐量指令吞吐量：单位时间内执行的指令数数据吞吐量：单位时间内处理的数据量延迟指令延迟：从指令发出到执行完成所需的时间数据延迟：从数据读取到写入完成所需的时间能效比性能：CPU执行指令和处理数据的能力功耗：CPU运行过程中消耗的电能能效比：性能与功耗的比值CPU指令集设计03指令集架构（ISA）定义CPU支持的指令集规定指令的格式和编码确定指令的执行方式和硬件支持架构类型CISC（复杂指令集计算机）：指令数量多，功能复杂RISC（精简指令集计算机）：指令数量少，功能简单BIC（混合指令集计算机）：结合CISC和RISC的特点指令集架构概述指令格式操作码：指示执行的操作地址码：指示操作数的地址寄存器：存储操作数和结果指令类型数据处理指令：执行算术和逻辑运算控制指令：控制程序流程和分支系统指令：与操作系统和硬件设备通信指令编码固定长度编码：指令长度固定-可变长度编码：指令长度可变冗余编码：提高编码效率和可靠性指令集设计的关键要素💡📖⌛️指令集设计的实例分析x86架构CISC架构，支持复杂指令集指令长度可变，支持32位和64位引入多媒体指令集，支持图形和音频处理ARM架构RISC架构，支持精简指令集指令长度固定，支持32位和64位引入NEON指令集，支持多媒体和机器学习CPU流水线设计04流水线的基本概念流水线：将指令的执行过程分成多个阶段提高指令执行速度实现指令并行执行流水线阶段取指：从指令存储器中读取指令-译码：解释指令并获取操作数执行：执行指令并产生结果写回：将结果写入寄存器或存储器流水线分类单流水线：指令执行顺序进行多流水线：多条指令同时执行动态流水线：根据指令需求调整流水线阶段流水线实现硬件实现：通过硬件逻辑实现流水线功能软件实现：通过软件指令实现流水线功能混合实现：结合硬件和软件实现流水线功能流水线的分类与实现流水线性能的优化方法流水线并行度增加流水线阶段数，提高并行度优化指令调度，提高并行度流水线冲突采用动态流水线技术，减少冲突使用多流水线技术，增加并行度流水线级数增加流水线级数，提高指令执行速度优化指令设计，减少流水线级数CPU多核设计与调度05多核CPU：具有多个独立核心的处理器提高并行计算能力支持多线程和分布式计算核心类型同构核心：多个核心具有相同的架构和功能异构核心：多个核心具有不同的架构和功能多核CPU设计的基本概念多核CPU的调度策略调度策略先来先服务（FCFS）：按指令到达顺序执行最短作业优先（SJF）：按指令执行时间最短执行时间片轮转：按时间片分配指令执行时间优先级调度：按指令优先级分配执行资源调度算法先进先出（FIFO）：指令按到达顺序执行最少执行时间（MIN）：指令执行时间最短多级反馈队列（MLFQ）：结合FIFO和MIN的优点核心分配均匀分配：将指令分配给所有核心动态分配：根据核心负载和指令需求分配线程调度同步调度：多个线程顺序执行异步调度：多个线程并行执行缓存优化分级缓存：采用多级缓存结构缓存一致性：保证缓存数据的一致性多核CPU性能的优化方法CPU缓存设计06缓存：存储CPU常用数据的临时存储器提高CPU访问速度减少内存访问时间缓存分类一级缓存（L1）：靠近CPU的高速缓存二级缓存（L2）：靠近CPU的低速缓存三级缓存（L3）：远离CPU的缓存缓存的基本概念与分类缓存容量确定缓存容量，平衡缓存大小和性能使用大容量缓存，提高缓存命中率01缓存替换策略最近最少使用（LRU）：替换最近最少使用的数据最不经常使用（LFU）：替换最不经常使用的数据时间局部性：根据数据访问时间进行替换空间局部性：根据数据访问位置进行替换02缓存一致性采用写回策略，保证缓存数据的一致性使用无效化操作，防止缓存错误03缓存的设计策略与优化缓存命中率：缓存中命中的数据占总数据的比例高缓存命中率：提高CPU访问速度和处理能力缓存命中率缓存延迟缓存延迟：从CPU请求数据到数据返回所需的时间低缓存延迟：提高CPU访问速度和处理能力缓存带宽缓存带宽：单位时间内缓存传输的数据量高缓存带宽：提高CPU访问速度和处理能力缓存性能的评估方法💡📖⌛️CPU功耗与热设计07CPU功耗产生的原因静态功耗晶体管泄漏电流：晶体管在关闭状态下产生的电流逻辑门翻转功耗：逻辑门在切换状态时产生的功耗动态功耗运算功耗：执行指令时产生的功耗访问功耗：访问内存和I/O设备时产生的功耗动态电压频率调整（DVFS）根据CPU负载调整电压和频率，降低功耗提高能效比，降低能源消耗指令调度优化优化指令执行顺序，降低功耗提高指令并行度，降低功耗功耗关闭技术关闭空闲核心和模块，降低功耗使用低功耗模式，降低功耗功耗管理技术热设计方法散热片：通过散热片将热量传导到散